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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere Synchronmaschine oder Asynchronmaschine.
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Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Sensorvorrichtung für eine elektrische Maschine, insbesondere eine Synchronmaschine oder Asynchronmaschine, zur Bestimmung einer Temperatur eines Rotors der elektrischen Maschine sowie auf eine entsprechende Auswerteeinheit.
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Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur eines Rotors einer solchen elektrischen Maschine.
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Herkömmliche elektrische Maschinen wie beispielsweise Synchronmaschinen umfassen unter anderem einen Stator sowie einen Rotor, der eingerichtet ist, in Zusammenwirkung mit dem Stator auf der Grundlage eines Drehfelds in herkömmlicher Weise zu rotieren. Wird eine elektrische Maschine wie beispielsweise eine Synchronmaschine als Motor betrieben, sind zur effizienten Steuerung und Regelung eines Drehmoments der elektrischen Maschine unterschiedliche erfassbare (physikalische) Größen bzw. Kenngrößen erforderlich, welche unter anderem Informationen über den aktuellen Betriebszustand der elektrischen Maschine widerspiegeln. Dazu zählen zum einen eine Temperatur des Rotors bzw. die Temperatur der am Rotor vorgesehen Magneten zur Erzeugung des Drehfelds, sofern vorhanden; dies deshalb, da das Magnetfeld bzw. das Drehfeld der an dem Rotor vorgesehen Magneten bzw. der Rotormagneten temperaturabhängig ist und somit durch eine Temperaturabschätzung bzw. Messung entsprechend in der Steuerungs- oder Regelungssoftware einer Auswerte- und Steuereinheit berücksichtigt werden muss. Zum anderen wird die Rotorposition bzw. Winkelposition oder -stellung des Rotors in Bezug auf den Stator zur effizienten Steuerung und Regelung benötigt.
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Herkömmlicher Weise wird die Temperatur der am Rotor vorgesehen Magneten bzw. der Rotormagnete auf der Grundlage eines thermischen Modells abgeschätzt, das von der erfassten Temperatur des Stators bzw. der Statortemperatur ausgeht.
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Darüber hinaus werden zur Bestimmung der Winkelposition des Rotors eigens hierfür vorgesehene Positionssensoren eingesetzt.
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Ein Beispiel eines solchen Positionssensors ist ein dem Fachmann bekannter AMR- Sensor (AMR= engl. „Anisotropic Magneto Resistive Sensor“), welcher auf der Grundlage des anisotropen magnetoresistiven Effekts bzw. AMR-Effekts arbeitet.
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1 zeigt eine zum Stand der Technik gehörende Sensoreinrichtung 16', 24', die zumindest teilweise durch einen AMR-Sensor gebildet wird und bei einer elektrischen Maschine 10' als Sensor zur Bestimmung der Winkelposition eines Rotors eingesetzt wird.
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Ein Sensorgeberelement 16' der Sensoreinrichtung wird durch einen Dauermagneten ausgebildet, welcher an einer Stirnseite des in diesem Fall nicht dargestellten Rotors befestigt ist und vorzugsweise symmetrisch zu einer Rotationsachse des Rotors bzw. der Rotorwelle befestigt ist, wie dies schematisch auch in 2 erkannt werden kann.
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Weiterhin ist ein an dem Stator fest montiertes Sensornehmerelement 24' vorgesehen, dass das Magnetfeld und die aufgrund einer Rotordrehung verursachte Veränderung des durch den Dauermagneten bewirkten Magnetfelds B' misst, während der Rotor aufgrund des Drehfelds in Drehung in Bezug auf den Stator versetzt ist. Mit anderen Worten misst ein Eingangselement 241' eine magnetische Flussdichte oder magnetische Feldstärke des Magnetfelds B' des Sensorgeberelements 16' und ein Ausgangselement 242' gibt basierend auf der erfassten magnetischen Flussdichte oder magnetischen Feldstärke des Magnetfelds B' eine analoge Sinusspannung und eine analoge Kosinusspannung als Ausgangssignal aus, wie es in 2 schematisch veranschaulicht ist. Insbesondere zeigt 2 eine schematische Darstellung des Ausgangssignals (y-Achse) der Sensoreinrichtung bzw. des AMR-Sensors. Wie insbesondere aus dem in 2 dargestellten Diagramm ersichtlich ist, erfasst das Eingangselement 241' in einem ersten Kanal Ch-1 eine analoge sinusförmig verlaufende Spannung (analoge Sinusspannung) und in einem zweiten Kanal Ch-2 eine analoge kosinusförmig verlaufende Spannung (analoge Kosinusspannung) über die Zeit, wobei die analoge Sinusspannung in diesem Fall von einem Südpol des in Form des Dauermagneten ausgebildeten Sensorgeberelements 16' herrührt, während die analoge Kosinusspannung in diesem Fall von einem Nordpol des in Form des Dauermagneten ausgebildeten Sensorgeberelements 16' herrührt. Die Phase der analogen Sinusspannung und der analogen Kosinusspannung gibt dabei die Richtung des durch das Sensorgeberelement 16' gebildeten Magnetfelds an, wobei beide Spannungen dazu verwendet werden, um die konkrete Winkelstellung (absolute Drehwinkelstellung) des Rotors bzw. Ausrichtung des Sensorgeberelements 16' ermitteln zu können. Anhand einer Beziehung der jeweiligen (Funktions-)Werte der analogen Sinusspannung und der analogen Kosinusspannung zu einer bestimmten Zeit lässt sich somit die Winkelposition des Rotors in Bezug auf den Stator ermitteln, was letztlich in einer Auswerteeinheit 30', beispielsweise in Form eines Mikroprozessors, vorgenommen werden kann, wie dies auch in 2 oberhalb des Diagramms und im Diagramm (x-Achse) veranschaulicht ist.
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Die vorgenannte Abschätzung der Rotortemperatur auf der Grundlage eines thermischen Modells ist naturgemäß ungenau, nicht zuletzt aufgrund der Tatsache, dass das thermische Modell die tatsächlich vorliegende Rotortemperatur nicht nur mit einer Ungenauigkeit, sondern auch mit einer zeitlichen Verzögerung abbildet.
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Allerdings ist die Güte bzw. Effizienz der Steuerung oder Regelung eines Drehmoments der elektrischen Maschine unter anderem direkt von der Genauigkeit der bestimmten Rotortemperatur abhängig.
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Ebenso wird gerade durch die hohe Ungenauigkeit des thermischen Modells eine große Toleranz in Bezug auf die Rotortemperatur zugelassen, wodurch aber die die thermischen Grenzen der elektrischen Maschine nicht ausgeschöpft werden können und diese letztlich nicht effizient betrieben werden kann.
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Eine naheliegende Lösung, um zumindest eine ungenaue Rotortemperaturmessung zu verhindern, ist das Vorsehen eines separaten eigens für die Rotortemperaturmessung zur Verfügung gestellten Sensors. Diese Lösung ist allerdings kostenintensiv, da die Temperaturinformation des Rotors entweder über Schleifringe oder mittels Funksignalen an das Sensornehmerelement oder die Auswerteeinheit übertragen werden muss.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäßen elektrischen Maschinen, Sensorvorrichtungen, Auswerteeinheiten und Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur eines Rotors einer solchen elektrischen Maschine derart weiterzubilden, dass die Genauigkeit der Rotortemperaturmessung erhöht werden kann, wobei vorzugsweise dabei eine Kostenerhöhung weitestgehend vermieden werden soll.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine ist insbesondere eine Synchronmaschine oder Asynchronmaschine und umfasst einen Stator, einen Rotor, der eingerichtet ist, in Zusammenwirkung mit dem Stator auf der Grundlage eines Drehfelds zu rotieren, und eine Sensoreinrichtung mit einem Sensorgeberelement und einem Sensornehmerelement, wobei das Sensorgeberelement zur Erzeugung eines sich von dem Drehfeld unterscheidenden Magnetfelds magnetisch ausgebildet und an dem Rotor angeordnet ist, vorzugsweise einer Stirnseite des Rotors und symmetrisch zur Drehachse des Rotors, und das Sensornehmerelement eingerichtet ist, eine das Magnetfeld des Sensorgeberelements definierende Größe zu erfassen, während der Rotor durch das Drehfeld in Drehung versetzt wird, und ein Ausgangssignal basierend auf der erfassten Größe auszugeben, und eine Auswerteeinheit, die eingerichtet ist, basierend auf dem Ausgangssignal des Sensornehmerelements eine Temperatur des Rotors zu bestimmen.
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Dadurch kann eine Kostenreduzierung und eine genauere Erfassung der Temperatur des Rotors erzielt werden, wenn ein zur Rotorwinkelpositionsbestimmung verwendeter Positionssensor, beispielsweise ein AMR-Sensor, auch zur Bestimmung der Rotortemperatur verwendet wird.
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Es wird die Annahme getroffen, dass die Temperatur des Rotors, an dem das Sensorgeberelement befestigt ist, letztlich gleich der Temperatur des Sensorgeberelements in Form eines Permanent- oder Dauermagneten ist. Somit lässt sich das Sensorgeberelement in Form des Permanent- oder Dauermagneten sowohl zur Winkelpositionsbestimmung des Rotors als auch zur Temperaturbestimmung des Rotors verwenden. Unter dieser Annahme wird somit die physikalische Temperaturabhängigkeit des Magnetfelds des Sensorgeberelements in Form des Permanentmagneten neben der Winkelpositionsbestimmung auch zur Temperaturbestimmung genutzt, indem in der Auswerteeinheit nicht nur die Winkelposition des Rotors durch Auswertung basierend auf dem Ausgangssignal, nämlich einer Beziehung jeweiliger (Funktions-)Werte einer analogen Sinusspannung und einer analogen Kosinusspannung zu einer bestimmten Zeit, ermittelt wird, sondern auch eine Amplitude der beiden Spannungen.
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Die Amplitude ist zum einen abhängig vom Abstand zwischen dem Sensorgeberelement in Form des Permanentmagneten und Sensornehmerelement, bei welchem das Magnetfeld detektiert wird. Dieser Abstand kann initial kalibriert werden. Z.B. nach Neustart eines Fahrzeuges mit einer solchen elektrischen Maschine, nach ausreichender Stillstandzeit, etc. Zum anderen ist die Amplitude abhängig von der Magnettemperatur. Da das Ausgangssignal sowohl eine analoge Sinusspannung als auch eine analoge Kosinusspannung enthält, ist es möglich, nur eine der Amplituden beider Spannungen zu berücksichtigen oder dies basierend auf den Amplituden beider Spannungen, beispielsweise durch Mittelwertbildung, etc., vorzunehmen.
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Der thermische Pfad der Rotortemperatur ist erfindungsgemäß somit sehr viel kürzer als bei einer Standard-Implementierung, wie eingangs genannt. Damit ergibt sich eine schnellere und genauere Temperaturabschätzung und die Genauigkeit der Temperaturbestimmung wird erhöht, so dass die elektrische Maschine innerhalb eines engeren thermisches Toleranzbands betrieben werden kann, was die Effizienz grundsätzlich erhöht.
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine kann so weitergebildet sein, dass die Auswerteeinheit weiter eingerichtet ist, basierend auf dem Ausgangssignal des Sensornehmerelements die Winkelposition des Rotors zu bestimmen.
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Ferner kann die erfindungsgemäße elektrische Maschine derart verwirklicht werden, dass die Auswerteeinheit eingerichtet ist, basierend auf der Amplitude des Ausgangssignals die Temperatur des Rotors zu bestimmen.
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Weiterhin kann die erfindungsgemäße elektrische Maschine so umgesetzt werden, dass die Auswerteeinheit eingerichtet ist, basierend auf einer Änderung der Amplitude des Ausgangssignals, insbesondere einer Amplitude von einer der analogen Sinusspannung oder analogen Kosinusspannung, oder basierend auf den beiden Amplituden beider Spannungen, die Temperatur des Rotors zu bestimmen, indem zur Kalibrierung zunächst eine Referenzamplitude erfasst wird und anschließend eine Änderung der Amplitude in Bezug auf die Referenzamplitude ermittelt wird.
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Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße elektrische Maschine derart weitergebildet sein, dass die Auswerteeinheit eingerichtet ist, basierend auf einer Beziehung von Werten einer analogen sinusförmig verlaufenden Spannung und einer analogen kosinusförmig verlaufenden Spannung des Ausgangssignals zu einer bestimmten Zeit die Winkelposition des Rotors zu bestimmen.
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Des Weiteren kann die erfindungsgemäße elektrische Maschine so realisiert werden, dass das Sensornehmerelement eingerichtet ist, die magnetische Flussdichte oder magnetische Feldstärke des Magnetfelds des Sensorgeberelements zu erfassen und ein Ausgangssignal in Form einer sinusförmig verlaufenden Spannung und einer analogen kosinusförmig verlaufenden Spannung auszugeben.
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Weiterhin kann die erfindungsgemäße elektrische Maschine derart weitergebildet werden, dass die Sensoreinrichtung durch einen das Sensorgeberelement und Sensornehmerelement aufweisenden AMR-Sensor gebildet wird.
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Ferner kann die erfindungsgemäße elektrische Maschine so ausgeführt sein, dass die Auswerteeinheit eingerichtet ist, auf der Grundlage der bestimmten Temperatur und/oder Winkelposition des Rotors eine Steuerung oder Regelung eines Drehmoments der elektrischen Maschine vorzunehmen.
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Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung ist für eine elektrische Maschine, insbesondere Synchronmaschine oder Asynchronmaschine, vorgesehen, wobei die Sensorvorrichtung eine Sensoreinrichtung und eine Auswerteeinheit aufweist und die Sensoreinrichtung ein Sensorgeberelement und ein Sensornehmerelement aufweist, wobei das Sensorgeberelement zur Erzeugung eines Magnetfelds magnetisch ausgebildet und eingerichtet ist, an einem Rotors der elektrischen Maschine so angeordnet zu werden, um vorzugsweise eine Bestimmung einer Winkelposition des Rotors zu ermöglichen, und das Sensornehmerelement eingerichtet ist, eine das Magnetfeld des Sensorgeberelements definierende Größe zu erfassen, während der Rotor im Zusammenspiel mit einem Stator der elektrischen Maschine auf der Grundlage eines Drehfelds in Drehung versetzt wird, und ein Ausgangssignal basierend auf der erfassten Größe auszugeben, und eine Auswerteeinheit, die eingerichtet ist, aus dem Ausgangssignal des Sensornehmerelements eine Temperatur des Rotors zu bestimmen.
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Dadurch ergeben sich die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine erläuterten Eigenschaften und Vorteile auf gleiche oder ähnliche Weise, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehenden Ausführungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine verwiesen wird.
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Eine erfindungsgemäße Auswerteeinheit ist eingerichtet, ein Ausgangssignal einer Sensoreinrichtung zu empfangen und basierend auf dem Ausgangssignal eine Temperatur eines Rotors einer elektrischen Maschine zu bestimmen, wobei die Auswerteeinheit eingerichtet ist, basierend auf einer Änderung einer Amplitude des Ausgangssignals, das von einer Erfassung eines Magnetfelds herrührt, die Temperatur des Rotors zu bestimmen, indem zur Kalibrierung zunächst eine Referenzamplitude erfasst wird und anschließend eine Änderung der Amplitude in Bezug auf die Referenzamplitude ermittelt wird.
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Dadurch ergeben sich die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine erläuterten Eigenschaften und Vorteile auf gleiche oder ähnliche Weise, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehenden Ausführungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine verwiesen wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist zur Bestimmung einer Temperatur eines Rotors einer elektrischen Maschine, insbesondere einer Synchronmaschine oder Asynchronmaschine, vorgesehen, wobei die elektrische Maschine einen Stator und den Rotor, der in Zusammenwirkung mit dem Stator auf der Grundlage eines Drehfelds rotiert, aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Erfassen, mittels eines Sensornehmerelements, einer ein sich von dem Drehfeld unterscheidenden Magnetfeld definierenden Größe, während sich der Rotor dreht, wobei das Magnetfeld von einem magnetischen Sensorgeberelement erzeugt wird, das an dem Rotor angeordnet ist, Ausgeben eines Ausgangssignals basierend auf der erfassten Größe, und Bestimmen einer Temperatur des Rotors basierend auf dem Ausgangssignal.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figur beispielhaft erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer zum Stand der Technik gehörenden Sensoreinrichtung, die durch einen AMR-Sensor gebildet wird und bei einer elektrischen Maschine als Sensor zur Bestimmung der Winkelposition eines Rotors eingesetzt wird;
- 2 eine schematische Darstellung des Ausgangssignals der Sensoreinrichtung von 1 sowie schematische Darstellungen einer Rotorwinkelposition in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal; und
- 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine in Form einer Synchronmaschine mit einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung sowie einer erfindungsgemäßen Auswerteeinheit.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 10 in Form einer Synchronmaschine 12 mit einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung 16, 24 sowie einer erfindungsgemäßen Auswerteeinheit 30.
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Wie in 3 erkennbar ist, umfasst die elektrische Maschine 10 in Form der Synchronmaschine 12 einen dem Fachmann bekannten herkömmlichen Stator 18 und einen dem Fachmann bekannten herkömmlichen Rotor 14, der eingerichtet ist, in Zusammenwirkung mit dem Stator 18 auf der Grundlage eines Drehfelds zu rotieren, d.h. die elektrische Maschine 10 kann auf dem Fachmann bekannte, herkömmliche Weise betrieben werden.
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Weiterhin weist die elektrische Maschine 10 eine Sensoreinrichtung 16, 24 mit einem Sensorgeberelement 16 und einem Sensornehmerelement 24 auf, wobei die Sensoreinrichtung 16, 24 in diesem Fall durch einen herkömmlichen AMR-Sensor, wie dieser eingangs beschrieben ist, zumindest teilweise gebildet wird.
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In diesem konkreten Ausführungsbeispiel ist die Sensoreinrichtung 16, 24 in Form des AMR-Sensors eingerichtet, sowohl die Temperatur des Rotors 14 als auch die Winkelposition des Rotors 14 in Bezug auf den Stator 18 zu bestimmen.
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Zu diesem Zweck ist das Sensorgeberelement 16 zur Erzeugung eines sich von dem Drehfeld unterscheidenden Magnetfelds B magnetisch ausgebildet, beispielsweise in Form eines Dauer- bzw. Permanentmagneten, und an dem Rotor 14 so angeordnet, dass eine Bestimmung einer Winkelposition des Rotors 14 ermöglicht wird. Insbesondere ist das Sensorgeberelement 16 in Form des Dauermagneten an einer Stirnseite des Rotors 14 symmetrisch zu dessen Drehachse angeordnet.
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Darüber hinaus ist das Sensornehmerelement 24 eingerichtet, eine das Magnetfeld B des Sensorgeberelements 16 definierende Größe zu erfassen, während der Rotor 14 durch das Drehfeld in Drehung versetzt wird. Insbesondere erfasst das Sensornehmerelement 24 eine magnetische Flussdichte als die das Magnetfeld definierende physikalische Größe. Darauf basierend gibt das Sensornehmerelement 24 ein Ausgangssignal aus, welches sich in der Form von 2 gestaltet, d.h. eine analoge sinusförmig verlaufende Spannung und eine analoge kosinusförmig verlaufende Spannung.
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Dieses Ausgangssignal wird einer Auswerteeinheit 30 zugeführt, die eingerichtet ist, basierend auf diesem Ausgangssignal des Sensornehmerelements 24 die Temperatur des Rotors 14 sowie die Winkelposition des Rotors 14 zu bestimmen. Dabei wird die Winkelposition des Rotors 14 bestimmt, indem die Auswerteeinheit 30 basierend auf einer Beziehung von Spannungswerten der analogen sinusförmig verlaufenden Spannung und der analogen kosinusförmig verlaufenden Spannung des Ausgangssignals zu einem bestimmten aktuellen Zeitpunkt die Winkelposition des Rotors 14 ableitet.
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Die Temperatur des Rotors 14 wird unter der Annahme berechnet, dass die Temperatur des Sensorgeberelement 16 in Form des Dauermagneten die Temperatur des Rotors 14 näherungsweise annimmt. Die Flussdichte B des Sensorgeberelements 16 in Form des Dauermagneten ist wiederum eine Funktion von der Temperatur des Permanentmagneten. Somit lässt sich anhand einer Variation der magnetischen Flussdichte prinzipiell die Temperatur des Sensorgeberelements 16 in Form des Dauermagneten, welche wiederum der des Rotors 14 entspricht, ermitteln.
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Insbesondere bestimmt die Auswerteeinheit 30 die Temperatur des Rotors 14 basierend auf einer Amplitude des Ausgangssignals, wobei basierend auf einer Änderung der Amplitude des Ausgangssignals, beispielsweise nur der der analogen sinusförmig verlaufenden Spannung oder der der analogen kosinusförmig verlaufenden Spannung, die Temperatur des Rotors 14 insbesondere bestimmt wird, indem zur Kalibrierung zunächst eine Referenzamplitude erfasst wird, beispielsweise bei einem ersten Start bzw. bei Betriebsaufnahme der elektrischen Maschine, und anschließend eine Änderung der Amplitude bzw. ein Änderungsverlauf der Amplitude in Bezug auf die Referenzamplitude ermittelt wird.
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Somit wird die Auswerteeinheit 30 in die Lage versetzt, auf der Grundlage der bestimmten Temperatur und Winkelposition des Rotors 14 eine Steuerung oder Regelung eines Drehmoments der elektrischen Maschine 10 vorzunehmen.
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Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung umfasst die vorstehend beschriebene Sensoreinrichtung und erfindungsgemäße Auswerteeinheit, und kann separat von der elektrischen Maschine zur Verfügung gestellt werden.
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Der Betrieb der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine bzw. der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung gestaltet sich wie folgt:
- die das sich von dem Drehfeld unterscheidende Magnetfeld B definierende Größe, nämlich die magnetische Flussdichte, wird erfasst, während sich der Rotor in Bezug auf den Stator unter Vermittlung des Drehfelds dreht.
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Das Ausgangssignal wird basierend auf der erfassten Größe, nämlich der magnetischen Flussdichte, in Form einer analogen Sinusspannung und einer analogen Kosinusspannung ausgegeben. Anschließend werden die Temperatur sowie die Winkelstellung des Rotors 14 basierend auf dem Ausgangssignal auf die vorstehend beschriebene Art und Weise bestimmt.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
