DE10243219B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Detektieren eines verschlechterten Dauermagnets - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung zum Detektieren eines verschlechterten Dauermagnets aus einer Vielzahl von Dauermagneten (208, 218) im Elektromotor (30) eines Fahrzeuges, umfassend:
einen Spannungsmonitor (102), der eine durch Dauermagnet (208, 218) induzierte Spannung im Motor (30) bei einer vorgegebenen Drehzahl und im belastungslosen Zustand detektiert und der mit einem Prozessor (110) gekoppelt ist, der die durch Dauermagnet (208, 218) induzierte Spannung aufnimmt, wie sie bei der vorgegebenen Drehzahl messbar ist und diese mit einer Bezugsspannung vergleicht, die die durch Dauermagnet (208, 218) induzierte Spannung für den Motor (30) mit einem völlig magnetisierten Dauermagneten (208, 218) widerspiegelt, wobei mit dem Prozessor (110) bei einer ermittelten Differenz zwischen der detektierten, durch Dauermagnet (208, 218) induzierten, Spannung und der Bezugsspannung ein fehlerhafter Dauermagnet (208, 218) ermittelbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Spannungsmonitor (102) Sensorspulen (210) an einem Ständer (202) des Motors (30) aufweist und einen Spannungsmesser (116), der mit den Spulen (210) zur...

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Detektieren eines verschlechterten Dauermagnets aus einer Vielzahl von Dauermagneten im Elektromotor eines Fahrzeugs, vorzugsweise eines Fahrzeugs mit Hybridantrieb.
  • Es ist die Notwendigkeit bekannt, den Verbrauch von fossilen Brennstoffen und Emissionen in Autos und anderen Fahrzeugen, die überwiegend durch Verbrennungsmotoren (ICE) angetrieben werden, zu reduzieren. Mit durch Elektromotoren angetriebenen Fahrzeugen versucht man sich dieser Notwendigkeit zu widmen. Eine andere bekannte alternative Lösung besteht darin, einen kleineren Verbrennungsmotor mit Elektromotoren in einem Fahrzeug zu kombinieren. Derartige Fahrzeuge kombinieren die Vorteile eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor und eines Elektrofahrzeugs und werden typischerweise Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEV) genannt (US-Patent 5 343 970).
  • Das HEV ist in vielfältigen Ausführungen beschrieben. In einer Ausführung treibt der Elektromotor eine Gruppe von Rädern an, und der Verbrennungsmotor (ICE) treibt eine andere Gruppe an. Es existieren andere Ausführungen, die brauchbarer sind. Zum Beispiel ist die Ausführung eines Reihen-Hybrid-Elektrofahrzeugs (SHEV) ein Fahrzeug mit einem Motor (meist typischerweise ein ICE), der mit einem Generator genannten Elektromotor verbunden ist. Der Generator liefert wiederum elektrischen Strom für eine Batterie und einen weiteren, Fahrmotor genannten Motor. In dem SHEV ist der Fahrmotor die einzige Quelle des Drehmoments am Rad. Zwischen dem Motor und den Antriebsrädern gibt es keine mechanische Verbindung. Die Ausführung eines parallelen Hybrid-Elektrofahrzeugs (PHEV) besitzt einen Motor (meist typischerweise ein ICE) und einen Elektromotor, die in sich ändernden Graden zusammenarbeiten, um das notwendige Drehmoment am Rad für den Antrieb des Fahrzeugs bereitzustellen. Außerdem kann in der PHEV-Ausführung der Verbrennungsmotor als Generator genutzt werden, um die Batterie von der durch den ICE erzeugten Leistung zu laden.
  • Ein Parallel-/Reihen-Hybrid-Elektrofahrzeug (PSHEV) besitzt die Eigenschaften sowohl von der PHEV-Ausführung als auch der SHEV-Ausführung und wird manchmal als Ausführung mit „Leistungsaufteilung" angegeben. In einem der mehreren Typen von PSHEV-Ausführungen ist der ICE mechanisch mit zwei Elektromotoren in einer Planetengetriebe-Achseinheit mit Getriebe, Kupplung und Differential gekoppelt. Ein erster Elektromotor, der Generator, ist mit einem Sonnenrad verbunden. Der ICE ist mit einem Zwischenrad verbunden. Ein zweiter Elektromotor, der Fahrmotor, ist über eine zusätzliche Verzahnung in einer Achseinheit mit Getriebe, Kupplung und Differential mit einem (Abtriebs-) Zahnkranz verbunden. Das Drehmoment des Verbrennungsmotors kann den Generator antreiben, um die Batterie zu laden. Der Generator kann außerdem zum benötigten Raddrehmoment (Abtriebswelle) beitragen, wenn das System eine Einwegkupplung aufweist. Der Fahrmotor wird genutzt, um zum Drehmoment am Rad beizutragen und Bremsenergie zum Laden der Batterie zurück zu gewinnen. In dieser Ausführung kann der Generator gezielt ein Reaktionsmoment bereitstellen, das zur Regelung der Motordrehzahl genutzt werden kann. Tatsächlich können der Verbrennungsmotor, der Generatormotor und der Fahrmotor einen kontinuierlichen veränderlichen Übertragungseffekt (CVT) zur Verfügung stellen. Darüber hinaus stellt der HEV eine Möglichkeit dar, um die Leerlaufdrehzahl des Motors gegenüber herkömmlichen Fahrzeugen besser regeln zu können, indem der Generator zur Regelung der Motordrehzahl genutzt wird.
  • Der Generatormotor und der Fahrmotor enthalten Dauermagnete. Diese Dauermagnete können sich zufällig entmagnetisieren und einen Qualitätsverlust erleiden oder sich über die Zeit auf Grund von Temperatur, hohen Stromwelligkeiten, Leistungswelligkeiten, Schwingungen und Altern entmagnetisieren. Die Entmagnetisierung kann die Leistungsfähigkeit des Fahrzeugs wie Ausgangsleistung/-drehmoment und Wirkungsgrad verschlechtern. Tatsächlich kann die Entmagnetisierung einen Punkt erreichen, bei dem Sicherheit ein Problem wird. Spezieller kann eine Entmagnetisierung zu einem geringeren Drehmoment führen, das verfügbar ist, um die Räder an einem kritischen Punkt anzutreiben, zum Beispiel, um ein Fahrzeug zu bewegen. Und eine Entmagnetisierung kann zu weniger Energie führen, die verfügbar ist zum regenerativen Bremsen, das den Bremsweg/ die Bremszeit nachteilig beeinflussen kann.
  • Die US-Patentschrift 5 650 706 zeigt eine Steuervorrichtung für einen Motor mit Dauermagnet vom Schenkelpoltyp. Die Aufgabe dieser Vorrichtung soll verhindern, dass sich ein Drehmoment auf Grund von Entmagnetisierung des Magneten verringert. Ein Magnetfluss des Dauermagneten wird berechnet oder gewonnen, indem eine elektromotorische Kraft des Dauermagneten entsprechend von dem Motor mit Dauermagnet zugeführter Spannung und Strom, eine Drehzahl des Motors und eine Induktivität des Motors mit Dauermagnet bestimmt werden. Diese elektromotorische Kraft wird mit einer elektromotorischen Bezugskraft verglichen, die einen vollkommen magnetisierten Dauermagneten darstellt. Dieses Verfahren ist komplex und schwerfällig. Eine direkte Erfassung der Entmagnetisierung wird vorgeschlagen, indem bestimmte Sensoren wie eine Hall-Vorrichtung oder ein Element mit magnetischer Widerstandsänderung genutzt werden. Diese vorgeschlagenen direkten Erfassungsverfahren sind relativ teuer und haben Auswirkungen auf die Brauchbarkeit auf Grund der Örtlichkeit eines komplexen Sensors im Motorgehäuse. Außerdem wird eine Entmagnetisierung für sicherheitsbezogene Vorgänge über eine Sicherheitsgrenze hinaus nicht beobachtet und darüber nicht berichtet. Darüber hinaus werden keine Entmagnetisierung verursachende Störungen für eine Wartung erkannt.
  • Aus der JP 09294354 A ist eine Vorrichtung zum Erkennen von mangelhaften Dauermagneten in einem Motor durch Vergleich von durch Magnetflussveränderung hervorgerufene Spannungsverläufe bekannt.
  • In der DE 36 05 178 A1 wird das Prinzip der Änderung des Magnetflusses durch Änderung des Luftspaltes ausgenutzt, um die Position von magnetischen Bauteilen zu bestimmen. Die Feststellung von mangelhaften Dauermagneten in Motoren und speziell die Feststellung eines bestimmten mangelhaften Dauermagneten aus einer Anzahl von Dauermagneten ist daraus jedoch nicht bekannt.
    •
  • Von daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung von schwächer werdenden Dauermagneten und zur Erkennung, welcher Magnet oder welche Magnete in einem Motor mit Dauermagneten ausgefallen sind, zu entwickeln.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 9. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Erkennung von Störungen auf Grund von schwächer werdenden Dauermagneten in einem Motor in einem Fahrzeug vorgesehen. Die Vorrichtung enthält einen Spannungsmonitor, der eine durch Dauermagnet induzierte Spannung im Motor bei einer vorgegebenen Drehzahl und im belastungslosen Zustand detektiert. Der Spannungsmonitor ist mit einem Prozessor gekoppelt, der die durch Dauermagnet induzierte Spannung aufnimmt, wie sie bei der vorgegebenen Drehzahl gemessen wird, und vergleicht sie mit einer Bezugsspannung, welche die durch Dauermagnet induzierte Spannung für den Motor mit einem völlig magnetisierten Dauermagneten widerspiegelt. Der Prozessor bestimmt eine Differenz zwischen der detektierten, durch Dauermagnet induzierten, Spannung und der Bezugsspannung. Die Differenz wird analysiert, um zu bestimmen, ob ein Dauermagnet fehlerhaft ist. Insbesondere ist die durch Dauermagnet induzierte Spannung eine Funktion der relativen Positionen und Örtlichkeiten der Dauermagnete in dem Motor. Diese Beziehung wird genutzt, um einen fehlerhaften Magneten zu erkennen. Die Dauermagnete sind dabei so ausgeführt, dass eine Änderung im magnetischen Widerstand genutzt wird, um den fehlerhaften Magneten zu identifizieren. Ein Diagnosekode wird eingestellt, um andere über die Position des mit Mängeln behafteten Magneten zum Austausch oder für einen anderen korrigierenden Vorgang zu alarmieren.
  • Nach einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Identifizieren eines Dauermagnets, der fehlerhaft ist und eine Verschlechterung der Dauermagnete in einem Motor eines Fahrzeugs verursacht, vorgesehen. Dieses Verfahren umfasst den Schritt des Detektierens eines ersten Signals, das eine Funktion des Magnetismus einer Anzahl von Dauermagneten in dem Dauermagnet-Motor ist. Anschließend wird das erste Signal mit einem Bezugssignal verglichen, das eine Magnetismusfunktion einer Anzahl von Dauermagneten im Dauermagnet-Motor darstellt. Das Bezugssignal widerspiegelt eine zu erwartende Höhe der Magnetisierung, wobei die Anzahl von Dauermagneten im Motor voll magnetisiert ist. Eine Differenz zwischen dem ersten Signal und dem Bezugssignal wird analysiert, um einen fehlerhaften Dauermagnet zu analysieren, der diese Differenz wahrscheinlich bewirkt. Insbesondere enthalten das erste Signal und das Bezugssignal Punkte von Übereinstimmung, die sich auf die Position von potenziell fehlerhaften Dauermagneten beziehen. Spezieller werden die Punkte von Übereinstimmung durch eine vorbestimmte Änderung im Aufbau des Motors an einer speziellen Stelle relativ zu der Stelle der Dauermagneten bewirkt. Diese Änderung im Aufbau führt zu einer Veränderung des magnetischen Widerstandes oder der magnetischen Stärke des Motors, die in dem ersten Signal und dem Bezugssignal widergespiegelt wird. Daher werden Differenzen zwischen dem ersten Signal und dem Bezugssignal auf eine Position eines fehlerhaften Dauermagnets korreliert. Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung enthält einen Prozessor, der das oben beschriebene Verfahren ausführt.
  • Die Lösung liegt bei der Erfindung u.a. in der Bereitstellung eines Detektionsverfahrens zur Bestimmung der speziellen Örtlichkeit eines schwächer gewordenen (entmagnetisierten) Dauermagneten für einen Motor eines Elektro- oder Hybrid-Elektrofahrzeugs (HEV).
  • Erfindungsgemäß wird ein sicheres und direktes Verfahren zur Bestimmung des Magnetflusses eines Dauermagneten in einem Motor bereitgestellt, mit dem ein Zustand des Magnetismus eines Dauermagneten bestimmbar ist, um das Drehmoment eines Motors in einem Fahrzeug einzustellen.
  • Außerdem werden anpassungsfähige Strategien zur Kompensation von schwächer werdenden Dauermagneten einschließlich des Schutzes von Dauermagneten, beschränktem Betrieb und Mitteilung von schwächer werdenden Dauermagneten an einen Benutzer des Fahrzeugs vorgeschlagen.
  • Es können fehlerhafte Dauermagneten, die sich auf die Verschlechterung von Dauermagneten in einem Motor eines Fahrzeugs beziehen, detektiert und erkannt werden.
    •
  • Die Zwecke, Vorteile und Merkmale werden mit Bezug auf die folgende Beschreibung und die Zeichnung deutlich, bei denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente darstellen.
  • Es zeigen:
  • 1 ein Blockdiagramm, das die Ausführung eines Hybrid-Elektrofahrzeuges (HEV) nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 2 ein Blockdiagramm der Steuerungseinheit einer Achseinheit mit Getriebe, Kupplung und Differential nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 3 eine Querschnittsansicht eines Motors nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 4 eine Querschnittsansicht eines Motors nach einem alternativen bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 5; 6 Diagramme, die ein Verfahren zum Detektieren einer Störung auf Grund von schwächer werdenden Dauermagneten nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Elektrofahrzeuge und spezieller Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEV). 1 stellt die Ausführung eines Parallel-/Reihen-Hybrid-Elektrofahrzeugs (Leistungsaufteilung) gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
  • Im Hybrid-Elektrofahrzeug von 1 verbindet eine Planetengetriebegruppe 20 mechanisch ein Zwischenzahnrad 22 mit einem Verbrennungsmotor 24 über eine Einwegkupplung 26. Die Planetengetriebegruppe 20 verbindet außerdem mechanisch ein Sonnenrad 28 mit einem Generatormotor 30 und einem (Abtriebs-) Tellerrad 32. Der Generatormotor 30 verbindet auch eine Generatorbremse 34 und ist elektrisch an eine Batterie 36 angeschlossen. Ein Fahrmotor 38 ist mechanisch mit einem Tellerrad 32 der Planetengetriebegruppe 20 über eine zweite Zahnradgruppe 40 verbunden und elektrisch an die Batterie 36 angeschlossen. Das Tellerrad 32 der Planetengetriebegruppe 20 und der Fahrmotor 38 sind über eine Abtriebswelle 44 mechanisch mit den Antriebsrädern 42 verbunden.
  • Die Planetengetriebegruppe 20 teilt die abgegebene Motorenergie in einen Reihenweg vom Verbrennungsmotor 24 zum Generatormotor 30 und einen Parallelweg vom Verbrennungsmotor 24 zu den Antriebsrädern 42 auf. Die Motordrehzahl kann geregelt werden, indem die Aufteilung auf den Reihenweg verändert wird, während die mechanische Verbindung durch den Parallelweg aufrechterhalten wird. Der Fahrmotor 38 verbessert die Motorleistung auf die Antriebsräder 42 auf dem Parallelweg durch die zweite Zahnradgruppe 40. Der Fahrmotor 38 schafft außerdem die Möglichkeit, Energie direkt vom Reihenweg zu verwenden, indem im Wesentlichen durch den Generatormotor 30 erzeugte Leistung abfließt. Dies reduziert Verluste, die der Umwandlung von Energie in chemische Energie und umgekehrt in der Batterie 36 verbunden sind und ermöglicht es, dass die gesamte Energie des Verbrennungsmotors abzüglich der Umwandlungsverluste die Antriebsräder 42 erreicht.
  • Ein Fahrzeug-Systemregler (VSC) 46 steuert viele Bauteile in der HEV Ausführung durch Verbindung mit dem Regler jedes Bauteils. Eine Motor-Steuereinheit (ECU) 48 ist durch eine drahtgebundene Schnittstelle mit dem Verbrennungsmotor 24 verbunden. Die ECU 48 und der VSC 46 können in der gleichen Einheit aufgenommen werden, wobei sie jedoch vorzugsweise getrennte Regler sind. Der VSC 46 steht durch ein Kommunikationsnetz wie ein Reglerbereichsnetz (CAN) 54 mit der ECU 48 sowie einer Batteriesteuereinheit (BCU) 50 und einer Steuereinheit (TMU) 52 für die Achseinheit mit Getriebe, Kupplung und Differential in Verbindung. Die BCU 50 ist durch eine drahtgebundene Schnittstelle mit der Batterie 36 verbunden. Die TMU 52 steuert den Generatormotor 30 und den Fahrmotor 38 über eine drahtgebundene Schnittstelle. Spezieller enthält die TMU 52 einen Regler, der ein gespeichertes Programm ausführt, um das Drehmoment des Generatormotors 30 und des Fahrmotors 38 zu bestimmen. Außerdem detektiert und speichert nach der vorliegenden Erfindung die TMU 52 eine Magnetisierungsanzeige von Dauermagneten im Generatormotor 30 und im Fahrmotor 38. Insbesondere bestimmen ein in den Generatormotor 30 einbezogener Spannungssensor und ein Spannungssensor im Fahrmotor 38 eine Spannung, die der Magnetisierung von Dauermagneten im Generatormotor 30 und im Fahrmotor 38 proportional ist wie es nachstehend beschrieben wird. Außerdem legt nach der vorliegenden Erfindung die TMU 52 fest, welche Dauermagnete auf Grund von Veränderungen in der Magnetisierung wahrscheinlich fehlerhaft sind.
  • 2 ist ein Blockdiagramm eines Teils der Steuereinheit 52 für die Achseinheit mit Getriebe, Kupplung und Differential, die nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit einem Generatormotor 30 und einem Fahrmotor 38 angeschlossen dargestellt ist. Die TMU 52 enthält vorzugsweise einen Regler 100, einen Spannungsmonitor 102, einen Spannungsmonitor 104, einen Wechselrichter 106 und einen Wechselrichter 108. Der Wechselrichter 106 ist mit einem Fahrmotor 38 gekoppelt, um einen Drehstrom für den Fahrmotor 38 bereitzustellen. Der Drehstrom wird aus einem Gleichstrom von einer Batterie 36 abgeleitet. Ebenso ist der Wechselrichter 108 mit einem Generatormotor 30 gekoppelt, um einen Drehstrom für den Generatormotor 30 zu liefern. Der Drehstrom wird ebenfalls von einem Gleichstrom aus der Batterie 36 abgeleitet. Der Wechselrichter 106 und der Wechselrichter 108 sind mit einem Regler 100 verbunden, so dass der Regler 100 Eingangssignale an die Wechselrichter 106, 108 bereitstellt, um einen Strom zu bestimmen, der einem Generatormotor 30 bzw. einem Fahrmotor 38 zur Verfügung gestellt wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Spannungsmonitor 102 mit dem Fahrmotor 38 gekoppelt, um eine durch Dauermagnet induzierte Spannung im Generatormotor 30 zu bestimmen. Ebenso ist ein Spannungsmonitor 104 mit dem Generatormotor 30 gekoppelt, um eine durch Dauermagnet induzierte Spannung im Generatormotor 30 zu bestimmen. Die durch Dauermagnet induzierten Spannungen vom Fahrmotor 38 und Generatormotor 30 werden durch den Regler 100 genutzt, um einen Zustand der im Fahrmotor 38 und im Generatormotor 30 enthaltenen Dauermagneten zu bestimmen. Auf der Basis des Zustandes der Dauermagneten im Fahrmotor 38 und im Generatormotor 30 bestimmt der Regler 100 einen durch die Wechselrichter 106, 108 zur Verfügung gestellten Strom; bestimmt, ob der Fahrmotor 38 oder der Generatormotor 30 betriebsfähig sind und löst Warnsignale an einen Benutzer aus. Außerdem wird ein dem Zustand der Dauermagneten im Fahrmotor 38 und im Generatormotor 30 entsprechendes Signal analysiert, um wahrscheinliche Störungen von Dauermagneten zu bestimmen und zu erkennen.
  • Der Regler 100 enthält vorzugsweise einen Prozessor 110 und einen Speicher 112. Der Prozessor 110 umfasst einen oder mehrere Mikroprozessoren, Mikroregler oder dergleichen. Der Regler 100 führt vorzugsweise ein gespeichertes Programm aus, um eine Anzeige des Magnetismuszustandes der im Generatormotor 30 und im Fahrmotor 38 enthaltenen Dauermagneten zu bestimmen, zu speichern, zu analysieren und zu übertragen. Außerdem führt der Regler 100 vorzugsweise ein gespeichertes Programm aus, um vorzunehmende Vorgänge zu bestimmen, die auf dem Zustand des Magnetismus der im Generatormotor 30 und Fahrmotor 38 enthaltenen Dauermagneten basieren. Am besten enthält der Speicher 112 eine nichtflüchtige Speicherkomponente, die eine Anzeige des Magnetismuszustandes der Dauermagneten im Generatormotor 30 und Fahrmotor 38 speichert.
  • Die Spannungsmonitore 102, 104 enthalten vorzugsweise einen Spannungssensor 114 und einen Spannungsmesser 116. Der Spannungssensor 114 ist mit seinem entsprechenden Motor direkt gekoppelt, um eine durch Dauermagnet induzierte Spannung bei einer vorgegebenen Drehzahl des Motors 38 festzulegen. Der Spannungsmesser 116 liefert die Spannung vom Spannungssensor 114 zum Regler 100 zur Verwendung bei der Bestimmung des Magnetismuszustandes der Dauermagneten im Generator 30 und im Fahrmotor 38. Vorzugsweise ist der Spannungsmesser außerhalb des Motors aufgenommen. Am besten ist es, wenn der Spannungsmesser am Fahrzeug verfügbare Hardware ist, die erneut als Funktion zur Überwachung der Magnetisierung verwendet wird, deren Funktion nur periodisch erforderlich ist.
  • 3 ist eine Schnittansicht eines Generatormotors 30 einschließlich eines bevorzugten Spannungssensors nach der vorliegenden Erfindung. Eine ähnliche Anordnung wird für den Fahrmotor 38 bevorzugt. Der Generatormotor 30 enthält einen Läufer 200 und einen Ständer 202. Die Dauermagneten 208a–d sind in dem Läufer 200 angeordnet. Die Motorwicklungen 204 (wie beispielhaft zwischen den Ständerzähnen dargestellt) sind auf normale Art und Weise um die Zähne 205 in Schlitzen 206 im Ständer 202 gewickelt. Erfindungsgemäß ist eine Sensorspule 210 um die Zähne 205 in den Schlitzen 206 im Ständer 202 gewickelt. Gemäß 3 befindet sich die Sensorspule 210 vorzugsweise neben dem Läufer 200 an einer Kante der Zähne 205, die einem Spalt zwischen dem Ständer 202 und dem Läufer 200 am nächsten gelegen ist. Vorzugsweise umfasst die Sensorspule 210 einen Draht mit einer sehr hohen Dicke und einigen Windungen. Die Sensorspule 210 ist mit einem Spannungsmesser 116 gekoppelt und dient als Spannungssensor 114. Die Sensorspule 210 wird verwendet, um eine im Generator 30 durch Dauermagnet induzierte Spannung zu bestimmen. Spezieller wird, wenn durch die Motorwicklungen kein Strom fließt, eine Spannung in der Sensorspule 210 auf Grund der Rotation des Läufers 200 erzeugt und durch die Dauermagneten 208 ein Magnetfeld erzeugt. Diese Spannung wird durch den Spannungsmesser 116 gefühlt und zum Regler 100 übertragen.
  • Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält der Läufer 200 eine Markierung 212, die in einem Bereich des Läufereisens in der Nähe und neben den Dauermagneten 208a angeordnet ist. Wie weiter unten erörtert wird, wird die Markierung 212 genutzt, um ein Signal zu erzeugen, das einen Übereinstimmungspunkt aufweist, der sich auf die Position/Örtlichkeit eines speziellen oder mehrerer der Dauermagnete 208a–d, in diesem Falle den Magnet 208a, bezieht. Spezieller verändert die Markierung 212 die Reluktanz oder den magnetischen Widerstand des Motors, was zu einer entsprechenden Änderung der in einer Sensorspule 210 induzierten Spannung führt. Auf der Basis des Übereinstimmungspunktes wird ein ausfallender oder fehlerhafter Dauermagnet identifiziert.
  • 4 ist eine Querschnittsansicht eines Motors, der dem in 3 gezeigten Motor ähnlich ist. Ähnliche Teile sind mit ähnlichen Bezugszahlen gekennzeichnet. Der hauptsächliche Unterschied zwischen dem Motor von 4 und dem Motor von 3 ist die Anordnung von Dauermagneten. Insbesondere sind Gruppen von Magnetanordnungen um den Läufer 200 angeordnet. Spezieller sind Gruppen von Dauermagneten (jede Gruppe besteht aus einem Magnetpaar) 218a, 218b, 218c und 218d bei etwa 0 Grad, 90 Grad, 180 Grad und –90 Grad um den Läufer 200 herum dargestellt.
  • Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält die Dauermagnetgruppe 218a als Markierung einen Vorsprung 222 auf einem der Dauermagnete in der Dauermagnetgruppe 218a. Der Vorsprung 222 ist vorzugsweise eine Verlängerung einer Magnet- oder Dauermagnetgruppe 218a oder ein zusätzliches Bauteil aus magnetischem Material. Wie weiter unten erörtert, wird der Vorsprung 222 genutzt, um die magnetische Stärke der Magnetgruppe 218a (im Vergleich zu 218b–d) zu verändern, was wiederum ein Signal erzeugt, das einen Übereinstimmungspunkt aufweist, der sich auf die Position der Dauermagnetgruppe 218a bezieht. Auf der Basis des Übereinstimmungspunkts wird ein ausfallender oder fehlerhafter Dauermagnet oder -gruppe identifiziert. Als andere Möglichkeit zur Verwendung von zusätzlichem magnetischen Material für den Vorsprung 222 kann dieser unmagnetisches Material wie Messing sein. In diesem Falle bewirkt der Vorsprung eine Zunahme des magnetischen Widerstandes des Motorläufers an dem Vorsprung, der wiederum ein Signal erzeugt, das einen Übereinstimmungspunkt aufweist, der sich auf die Position des Dauermagnetengruppe 218a bezieht.
  • Bei Betrieb wird die durch Dauermagnet induzierte Spannung des Motors bestimmt. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird dies vollbracht, indem in der Sensorspule 210 während eines Zeitraumes, in dem in den Motorwicklungen kein Strom fließt, eine Spannung induziert wird, d.h. es ist keine Belastung vorhanden. Vorzugsweise quantifiziert der Spannungsmesser 116 die in der Sensorspule 210 induzierte Spannung. Der belastungslose Zustand tritt auf, wenn in den Ständerwicklungen des Motors ein Nullstrom vorhanden ist. Zum Beispiel tritt der belastungslose Zustand auf, wenn sich das Fahrzeug im Leerlauf befindet, zum Beispiel bei rotem Licht angehalten ist, und außerdem, wenn sich das Fahrzeug bei Reisegeschwindigkeit befindet und kein Strom in den Motorwicklungen vorhanden ist. Ein weiterer beispielhafter, belastungsloser Zustand tritt auf, wenn der Generatormotor kein Drehmoment an die Räder liefert oder ein Drehmoment vom Verbrennungsmotor aufnimmt, um die Batterien zu laden. Die durch Dauermagnet induzierte Spannung wird vorzugsweise durch die Rotation des Läufers 200 induziert, der die Dauermagneten 208a–d enthält. Dies bewirkt ein Magnetfeld, das die Spannung in der Sensorspule induziert. Am besten ist es, wenn der Läufer 200 mit einer vorgegebenen Drehzahl rotiert wird und die Wechselrichterkontakte, die Strom zum Motor liefern, während einer Messung der durch Dauermagnet induzierten Spannung geöffnet werden. Die TMU 52 und spezieller der Regler 100 bestimmen, wann die durch Dauermagnet induzierte Spannung angesichts des Fahrzeugszustandes zu messen ist, wobei der Zustand vorzugsweise über das Reglerbereichsnetz 54 oder ein beliebiges anderes geeignetes Mittel erzielt wird.
  • Die durch Dauermagnet induzierte Spannung ist dem Magnetfeld (Magnetfluss) und der Drehzahl des Läufers proportional. Daher wird die Stärke des Dauermagneten ohne weiteres erzielt, wenn die Drehzahl und die durch Dauermagnet induzierte Spannung bekannt sind.
  • Nachdem die durch Dauermagnet induzierte Spannung detektiert ist, wird sie mit einer Bezugsspannung verglichen, die eine durch Dauermagnet induzierte Spannung bei fehlender Entmagnetisierung und der gleichen vorgegebenen Drehzahl widerspiegelt, bei der die durch Dauermagnet induzierte Spannung detektiert ist. Das heißt, die Bezugsspannung ist der Wert, der für die durch Dauermagnet induzierte Spannung erwartet wird, wenn der Dauermagnet völlig magnetisiert ist. Vorzugsweise wird die Bezugsspannung in der TMU 52 gespeichert. Eine beliebige Differenz zwischen der Bezugsspannung und der detektierten, durch Dauermagnet induzierten, Spannung wird verwendet, um eine Anzeige der Größe der Verschlechterung des Dauermagneten zu bestimmen. Diese Anzeige wird vorzugsweise in einem nichtflüchtigen Speicher zum weiteren Bezug verwendet. Außerdem wird die Anzeige der Magnetstärke mit einem ersten Schwellenwert verglichen, um zu bestimmen, ob der Dauermagnet einen Punkt der Verschlechterung erreicht hat, wo zusätzliche Vorkehrungen getroffen werden sollten. Am besten wird, wenn die Magnetstärke unterhalb eines vorbestimmten Schwellenwertes liegt, dem Benutzer des Fahrzeugs eine Anzeige gemacht, zum Beispiel durch eine hörbare oder sichtbare Anzeige, die durch das Reglerbereichsnetz 54 übertragen wird. Außerdem wird der Strom in den Motor auf eine Größe begrenzt, die eine Beschädigung an Bauteilen des Fahrzeugs verhindert, und/oder die TMU 52 wird zur genaueren Ansteuerung des Wechselrichters kalibriert, um den Motor zu zwingen, das erforderliche Drehmoment bereitzustellen. Am besten wird der erste Schwellenwert so gewählt, dass zumindest ein beschränkter Betrieb des Fahrzeugs möglich ist. Während einer Periode des fortgesetzten beschränkten Betriebes wird der schwächer werdende Dauermagnet zusammen mit anderen Motorparametern wie die Temperatur überwacht. Die Ergebnisse aus der weiteren Überwachung werden mit einem zweiten Schwellenwert verglichen.
  • Dieser Schwellenwert ist alternativ eine Größe des Magnetismus, eine bestimmte Temperatur oder ein anderer überwachter Parameter. Wenn der zweite Schwellenwert nicht eingehalten ist, dann wird das Überwachen fortgesetzt. Wenn der zweite Schwellenwert eingehalten ist, dann wird der anschließende Betrieb des Motors ausgesetzt und ein Benutzer des Fahrzeugs mit einer hörbaren oder sichtbaren Anzeigevorrichtung gewarnt. Wenn eine andere Quelle von Antriebskraft verfügbar ist, wird der Betrieb der Räder des Fahrzeugs auf diese Antriebsquelle geschaltet. Zum Beispiel werden im bevorzugten Ausführungsbeispiel von 1, wenn der Generator 30 auf Grund des schwächer werdenden Dauermagneten betriebsunfähig gemacht wird, die Räder 42 unter Steuerung des Fahrmotors 38 betrieben. Alternativ dazu werden, wenn der Fahrmotor 38 auf Grund eines schwächer werdenden Dauermagneten betriebsunfähig gemacht ist, die Räder 42 unter Steuerung des Generatormotors 30 und des Verbrennungsmotors 24 betrieben. Am besten wird, wenn der Fahrmotor 38 betriebsunfähig ist, der Generatormotor 30 zuerst verwendet, um die Räder 42 auf eine bestimmte Geschwindigkeit zu bringen, und anschließend wird der Verbrennungsmotor 24 aktiviert, um eine zusätzliche Antriebskraft über einen weichen Übergang zur Verfügung zu stellen.
  • Sobald eine Wartung des Fahrzeugs auftritt, wird eine fehlerhafte Dauermagnet- oder Magnetgruppe zum Austausch identifiziert. Insbesondere wird ein Übereinstimmungspunkt in einer Funktion der Stärke des Dauermagneten mit einer Bezugsfunktion der Dauermagnetstärke verglichen. Unterschiede zwischen einer detektierten Funktion und der Bezugsfunktion werden genutzt, um einen fehlerhaften Magneten in einer Art und Weise zu lokalisieren, die nachstehend mit Bezug auf die 5 und 6 beschrieben wird.
  • 5 ist ein Diagramm, das eine Bezugsfunktion der Dauermagnetstärke nach der vorliegenden Erfindung darstellt. Spezieller zeigt 5 eine Kurve 302, die eine über der Zeit aufgezeichnete Spannung darstellt. Die Kurve 302 stellt eine Spannung dar, die gemäß der vorliegenden Erfindung detektiert wird, wenn ein Motor vollmagnetisierte Dauermagneten aufweist. Obwohl die Spannung bevorzugt wird, wird alternativ eine andere Größe, die eine Funktion der permanenten Magnetisierung ist, wie Strom, Leistung oder Magnetfluss, verwendet. Die Kurve 302 weist Übereinstimmungspunkte 306 auf. Für die als Kurve 302 dargestellte Bezugsspannung treten periodisch Übereinstimmungspunkte 306 auf.
  • Die Kurve 302 weist Spitzen auf, die als Spitze 304a, Spitze 304b, Spitze 304c, Spitze 304d und Spitze 304e benannt sind. Diese Spitzen stellen eine hohe Spannung dar, die in den Spulen 210 induziert wird auf Grund eines Dauermagneten in dem Läufer 200, der in unmittelbarer Nähe zu den Spulen 210 verläuft. Mit Bezug auf 3 stellt die Spitze 304a den Magnet 208a und die in der Nähe der Suchspulen 210 rotierende Aussparung 212 dar. Ebenso stellt die Spitze 304b den Magnet 208b dar, der die Suchspulen 210 passiert. Die Spitzen 304c und 304d stellen jeweils Magnete 208c und 208d dar, die die Suchspulen 210 im Verlaufe einer Rotation des Läufers 200 durchlaufen. Die Spitze 304e stellt einen weiteren Durchlauf von Magnet 208a und Aussparung 212 dar. Besonders die Markierung 212 entspricht den in 5 gezeigten Übereinstimmungspunkten 306 und erzeugt diese. Spezieller bewirkt die Markierung 212 eine Veränderung der Reluktanz oder des magnetischen Widerstandes des Motors, wobei die Änderung zu einem Krater, einer Aussparung oder Vertiefung an Übereinstimmungspunkten 306 führt. In alternativen Ausführungsbeispielen, zum Beispiel für die in 4 gezeigte Motoranordnung, bei der eine Änderung der Magnetstärke durch Hinzufügen von magnetischem Material bewirkt wird, ist der Übereinstimmungspunkt durch einen Vorsprung oder einen Hügel gekennzeichnet, die durch zusätzliches magnetisches Material bewirkt werden.
  • 6 zeigt eine Kurve 310 einer beispielhaften, detektierten Funktion einer Entmagnetisierung von Magneten nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Kurve 310 veranschaulicht eine Spannung, die im Ergebnis einer magnetischen Verschlechterung von einem der Dauermagnete 208a–d von 3 detektiert ist. Eine Analyse der Kurve 310 wird vorzugsweise genutzt, um zu bestimmen, welcher Dauermagnet zur Entmagnetisierung beiträgt, so dass dieser Magnet ersetzt werden kann. Besonders die Kurve 310 weist Übereinstimmungspunkte 306 auf. Die Übereinstimmungspunkte werden genutzt, um ein Signal zum Vergleich mit einem Bezugssignal darzustellen. Abweichungen zwischen dem Vergleich zeigen die fehlerhafte Komponente eines Dauermagnet an. Besonders die Spitze 304b ist in der Kurve 310 wesentlich verschlechtert. Da sich die Spitze 304b auf den Magneten 208b bezieht, zeigt die Kurve 310 eine Verschlechterung des Magneten 208b an. Ein Vergleich der Kurve 310 und Kurve 302 identifiziert ohne weiteres die Verschlechterung in der Kurve 310, die widerspiegelt, dass die Kurve 310 anzeigt, das der Magnet 208b fehlerhaft ist. Vorzugsweise wird ein Diagnosekode so eingestellt, um anzuzeigen, dass der Magnet 208b fehlerhaft ist.
  • Als Alternative zu der Markierung 212, 222 können andere Unregelmäßigkeiten im Dauermagnetmotor angeordnet werden, um Übereinstimmungspunkte in detektierten Wellenformen zu bewirken. Im Allgemeinen führt die Einführung eines unmagnetischen Materials zur Erhöhung der Reluktanz des Motors, wie ein Spalt (z.B. Luftspalt), eine Aussparung oder ein Krater, ein Krater oder eine Vertiefung in einer entsprechenden Wellenform. Und im Allgemeinen bewirkt eine Einführung von zusätzlichem magnetischen Material, wie ein Vorsprung aus magnetischem Material, eine Erhöhung des Magnetflusses, was einen entsprechenden Hügel, eine Spitze oder einen Vorsprung in einer entsprechenden Wellenform bewirkt. Die Änderung der Reluktanz oder magnetischen Stärke des Motors wird alternativ im Läufer und/oder Ständer des Motors realisiert. Eine bevorzugte andere Möglichkeit zu der Markierung 212, 222 besteht darin, einen relativ kleinen Magnet zwischen einer Dauermagnet- oder Magnetgruppe anzuordnen, so dass der kleine Magnet eine kleine synchronisierende Spitze in einer entsprechenden Wellenform bewirkt, die durch einen Spannungsmonitor detektiert wird.
  • Wie oben erörtert, stellt die vorliegende Erfindung ein einfaches und effektives Verfahren zur Bestimmung des Magnetismuszustandes eines Dauermagneten in einem Motor eines Fahrzeugs zur Verfügung. Vorteilhafterweise wird ein für den Magnetismuszustand repräsentatives Signal mit einem zuvor gespeicherten Signal verglichen, das den voll magnetisierten Zustand darstellt, um wahrscheinliche fehlerhafte Bauteile zu identifizieren.
  • Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung sind lediglich für beispielhafte Zwecke vorgesehen. Es können viele andere Änderungen, Modifizierungen und Anwendungen der Erfindung vorgenommen werden.

Claims (16)

  1. Vorrichtung zum Detektieren eines verschlechterten Dauermagnets aus einer Vielzahl von Dauermagneten (208, 218) im Elektromotor (30) eines Fahrzeuges, umfassend: einen Spannungsmonitor (102), der eine durch Dauermagnet (208, 218) induzierte Spannung im Motor (30) bei einer vorgegebenen Drehzahl und im belastungslosen Zustand detektiert und der mit einem Prozessor (110) gekoppelt ist, der die durch Dauermagnet (208, 218) induzierte Spannung aufnimmt, wie sie bei der vorgegebenen Drehzahl messbar ist und diese mit einer Bezugsspannung vergleicht, die die durch Dauermagnet (208, 218) induzierte Spannung für den Motor (30) mit einem völlig magnetisierten Dauermagneten (208, 218) widerspiegelt, wobei mit dem Prozessor (110) bei einer ermittelten Differenz zwischen der detektierten, durch Dauermagnet (208, 218) induzierten, Spannung und der Bezugsspannung ein fehlerhafter Dauermagnet (208, 218) ermittelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsmonitor (102) Sensorspulen (210) an einem Ständer (202) des Motors (30) aufweist und einen Spannungsmesser (116), der mit den Spulen (210) zur Detektion der durch Dauermagnet (208, 218) induzierten Spannung verbunden ist und Läufer (200) oder Dauermagnet (208, 218) den Luftspalt des Läufers (200) verändernde Markierungen (212, 222) aufweisen, die beim Passieren der Sensorspulen (210) einen den Markierungen (212, 222) zu zuordnenden typischen Spannungsverlauf eines Dauermagneten (208, 218) im Läufer (200) des Motors (30) erzeugen.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe des Prozessors (110) die Position eines Dauermagneten (208, 218) im Motor (30) bestimmbar ist.
  3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch einen Prozessor (110), der einen Diagnosekode einstellt, der den fehlerhaften Dauermagnet (208, 218) anzeigt.
  4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierung (212) eine einem Dauermagneten (208a–d) zuordenbare Veränderung am Läufer (200) darstellt, die die Reluktanz oder den magnetischen Widerstand des Motors ändert.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierung (212) eine Aussparung im Läufer (200) im Bereich des Dauermagneten (208a) darstellt.
  6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierung (222) eine einem Dauermagneten (218a–d) zuordenbare Veränderung darstellt, die die Reluktanz oder den magnetischen Widerstand des Motors ändert.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierung (222) eine dem Dauermagnet (218a) zuzuordnender Vorsprung ist.
  8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung bezüglich der Markierung (222) ein zusätzlich am Dauermagnet (218a) anzubringbares Bauteil ist, welches aus einem magnetischen oder unmagnetischen Material besteht.
  9. Verfahren zum Detektieren eines verschlechterten Dauermagnets aus einer Vielzahl von Dauermagneten im Elektromotor eines Fahrzeuges mit folgenden Schritten: Detektieren eines ersten Signals, das eine Funktion einer ständigen Magnetisierung einer Anzahl von Dauermagneten in dem Motor ist; Vergleichen des ersten Signals mit einem Bezugssignal, das eine Funktion der ständigen Magnetisierung der Anzahl von Magneten in dem Motor darstellt, wobei das Bezugssignal eine Höhe von Magnetisierung reflektiert, die erwartet wird, wenn die Anzahl von Dauermagneten in dem Motor vollmagnetisiert ist; Analysieren einer Differenz zwischen dem ersten Signal und dem Bezugssignal zur Bestimmung eines fehlerhaften Dauermagneten, der wahrscheinlich die Differenz bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Position fehlerhafter Dauermagneten (208, 218) der Läufer (200) oder ein Dauermagnet (218) des Motors mit den Luftspalt des Läufers verändernden Markierungen (212, 222) versehen wird, die beim Passieren von im Ständer (202) angeordneter Sensorspulen (210) einen den Markierungen (212, 222) zuzuordnenden typischen Spannungsverlauf eines Dauermagneten (208, 218) im Läufer (200) des Motors (30) erzeugen, der dadurch im Spannungsverlauf lokalisierbar ist und aus dessen Position fehlerhafte Dauermagneten bestimmbar sind.
  10. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch das Einstellen eines Diagnosekodes, der fehlerhafte Dauermagneten (208, 218) anzeigt.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Signal durch die am Motor (30) angeordneten Markierungen (212, 222) bestimmt wird.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierungen (212, 222) eine Änderung von Reluktanz und magnetischer Widerstand des Motors (30) bewirken.
  13. Verfahren nach den Ansprüchen 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierung (212) eine im Läufer (200) im Bereich des Dauermagneten (208a) einzubringende Einkerbung ist.
  14. Verfahren nach den Ansprüchen 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierung (222) eine am Dauermagneten (218a–d) angebrachte Veränderung darstellt, die die Reluktanz oder den magnetischen Widerstand des Motors ändert.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierung (222) ein am Dauermagnet (218a) angebrachter Vorsprung ist.
  16. Verfahren nach den Ansprüchen 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung bezüglich der Markierung (222) ein zusätzlich am Dauermagnet (218a) angebrachtes Bauteil ist, welches aus einem magnetischen oder unmagnetischen Material besteht.
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