DE10245887A1

DE10245887A1 - Verfahren zur Geräuschereduzierung an elektrischen Maschinen

Info

Publication number: DE10245887A1
Application number: DE2002145887
Authority: DE
Inventors: Volker Scheef; Axel Schumacher
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-09-03
Filing date: 2002-09-03
Publication date: 2004-03-11

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Geräuschminderung an elektrischen Maschinen, die mit einer Ansteuerelektronik (57) betrieben werden, über welche die Bestromung gesteuert wird, mit einem Stator (1), der eine Anzahl von Polen (5, 6, 7, 8, 9, 10) aufweist und einen Läufer umgibt. Durch die Ansteuerelektronik (57) werden die Phasenströme I¶1¶, I¶2¶, I¶3¶ derart vorgegeben, daß im (Radial)kraftspektrum (61) ein Bereich einer kritischen Resonanzfrequenz (65) bzw. im Bereich (63, 64) kritischer Resonanzfrequenzen (Radial)kraftanteile minimiert werden.

Description

Technisches Gebiet
Elektrische Maschinen wie zum Beispiel Elektromotoren werden während des Betriebes durch anregende Kräfte in Schwingungen versetzt. Damit strahlen die Elektromotoren Luftschall ab und können Körperschall in andere, benachbarte Bauteile einleiten. Diese wiederum können ihrerseits Luftschall abstrahlen und erhöhen den wahrgenommenen Geräuschpegel.
Stand der Technik
Die Geräuschsenkung an elektrischen Maschinen – seien es Generatoren, seien es Elektromotoren – gewinnt zunehmend an Bedeutung. Das Geräusch einer elektrischen Maschine wie eines Generators oder eines Elektromotors setzt sich aus aerodynamischen, magnetisch angeregten sowie mechanisch aus den Lagerungen herrührenden Geräuschanteilen zusammen.
Aerodynamisches Geräusch tritt zum Beispiel bei Lüftern auf. Auch bei Durchtritt von Kühlluft durch Öffnungen entstehen aerodynamische Geräusche. Dies kann dadurch reduziert werden, daß kleine Lüfter mit asymmetrischer Schaufeleinteilung eingesetzt werden oder eine sorgfältig abgestimmte Luftführung zum Einsatz kommt.
Magnetisch angeregtes Geräusch an elektrischen Maschinen entsteht dadurch, daß in elektrischen Maschinen hohe lokale magnetische Felder und damit Kraftwirkungen zwischen Ständer und Läufer unter Last, d.h. im gesamten Betriebsbereich der elektrischen Maschine auftreten. Die magnetischen Geräusche können durch Maßnahmen wie zum Beispiel einer Vergrößerung des Luftspaltes zwischen Ständer und Läufer oder auch durch engere Fertigungstoleranzen begrenzt werden. Bei Klauenpolgeneratoren zum Beispiel liegt eine wirkungsvolle Maßnahme zur Reduzierung des magnetischen Geräusches darin, eine Ab schrägung der ablaufenden Polkanten des Läufers vorzunehmen (Klauenabhebung). Dadurch werden die Auswirkungen der Ankerrückwirkung der Ständerströme vermindert, die bei elektrischer Belastung des Generators eine starke Feldverzerrung im Luftspalt verursacht und dadurch das Geräusch herbeiführt. Mit einer optimierten Form der Abschrägung der ablaufenden Polkanten und einer Verringerung der schallabstrahlenden Flächen des Gehäuses des Generators, läßt sich eine erhebliche Geräuschminderung an einer solchen elektrischem Maschine erreichen.
Der Einfluß der Anbaustelle der elektrischen Maschine beispielsweise an einer Verbrennungskraftmaschine im Kraftfahrzeug ist ebenfalls von Einfluß auf das Geräusch. Die Halterung der elektrischen Maschine beeinflußt das Schwingverhalten und die Geräuschentwicklung der elektrischen Maschine. Mit einer elastischen Halterung der elektrischen Maschine kann die Kopplung weitestgehend unterbunden werden.
Mechanische Geräusche an elektrischen Maschinen können durch Wälzlager hervorgerufen werden.
Bei als geschalteten Reluktanzmotoren ausgebildeten elektrischem Maschinen treten sehr hohe radiale Magnetkräfte auf, die den Stator des Motors und damit dessen Gehäuse zu Schwingungen anregen. Beim geschalteten Reluktanzmotor tritt prinzipbedingt eine gleichzeitige Bestromung einander gegenüberliegender Pole auf, so daß bevorzugt eine elliptische Schwingform dieser elektrischen Maschinen angeregt wird. Hinsichtlich des Geräuschverhaltens von Reluktanzmotoren ist daher diese Schwingform von wesentlicher Bedeutung.
Bei bürstenlos ausgebildeten Elektromotoren (BLDC-Motoren) werden die einzelnen Phasen hingegen sequentiell nacheinander bestromt. Die Bestromung der einzelnen Phasen erfolgt elektronisch gesteuert, so daß durch eine gezielte Motoransteuerung dieser elektrischen Maschinen ein Einfluß auf die Bestromung der Phasen und damit auf die Schwingform ausgeübt werden kann. Aus der Praxis sind dazu Verfahren wie zum Beispiel das "Zero-Volt-Looping" und die "Two-Stage-Commutation" bekannt.
Darstellung der Erfindung
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird ein Verfahren angegeben, den Phasenstrom und damit die magnetischen Kräfte so vorzugeben, daß das Kraftspektrum im Bereich der kriti schen Frequenz oder im Bereich der kritischen Frequenzen minimierte Kraftanteile aufweist – im Idealfalle entfallen diese Kraftanteile vollständig.
Enthält das Kraftspektrum im Bereich der kritischen Frequenz oder der kritischen Frequenzen keine oder minimierte Kraftanteile der Amplitude, wird diese entweder nicht mehr oder in erheblich vermindertem Umfange angeregt. Mit dieser Maßnahme läßt sich das Geräusch- und Körperschallverhalten einer elektrischen Maschine wesentlich verbessern und eine schwingungs- und damit geräuscharme elektrische Maschine bereitstellen.
Ein hinsichtlich der Kraftanteile bei der kritischen Frequenz oder den kritischen Frequenzen optimiertes Kraftspektrum läßt sich durch die Vorgabe eines Soll-Stromverlaufes über eine Ansteuerelektronik erreichen. Damit kann gemäß einer der beiden nachstehenden Vorgehensweisen verfahren werden.
Handelt es sich um ein bekanntes schwingfähiges System elektrische Maschine/Halterung, d.h. sind die kritische Frequenz oder die kritschen Frequenzen des schwingfähigen Systems bekannt, kann die Stromform über die Ansteuerelektronik der elektrischen Maschine so vorgegeben werden, daß die Kräfte in diesem kritischen Frequenzbereich bzw. in diesen kritischen Frequenzbereichen minimale Amplitudenanteile aufweisen.
Andererseits können im Betrieb des Reluktanz- oder bürstenlosen Elektromotors die Beschleunigungen und die Phasenströme in einem Referenzpunkt oder auch in mehreren Referenzpunkten ermittelt werden. Die Beschleunigungssignale können in den Frequenzbereich transformiert werden (FFT), und die kritischen Frequenzbereiche abgeleitet werden.
Aus der Messung der Stromverläufe in den Phasen der elektrischen Maschinen kann auf die jeweils auftretenden magnetischen Kräfte geschlossen werden. Die zeitlichen Verläufe der magnetischen Kräfte lassen sich ebenfalls in den Frequenzbereich transformieren (Zeit-Frequenz-Transformation). Die Transformation vom Zeit- in den Frequenzbereich kann mittels Fourier Transformation erfolgen. Daneben ist die Methode der Kurz-Zeit-FFT (Wavelet) oder ein Verfahren mittels analoger Filterung anwendbar. Im Frequenzbereich können die Amplituden im kritischen Frequenzbereich oder gegebenenfalls in den kritischen Frequenzbereichen, (zum Beispiel bei der Resonanzfrequenz oder bei den Resonanzfrequenzen) minimiert oder zu Null gesetzt werden. Die Minimierung bzw. Nullsetzung der Amplituden bei den kritischen Frequenzen bzw. in den kritischen Frequenzbereichen kann über einen digitalen Signalprozessor (DSP) erfolgen. Danach wird das solchermaßen optimierte Spektrum durch eine Rücktransformation (Inverse FFT) in den Zeitbereich rücktransformiert, aus dem sich der Sollstrom errechnen läßt, mit dem die Einzelphasen der elektrischen Maschine über die Ansteuerelektronik anzusteuern sind, um eine schwingungsarme und damit geräuscharme elektrische Maschine zu erhalten.
Zeichnung
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Es zeigt:
1 den Stator eines 6-poligen Reluktanzmotors,
2 die elliptische Verformung des Stators gemäß 1 in überzeichnet dargestellter Schwingform,
3 einen Umrichter zur Ansteuerung eines Reluktanzmotors,
4 eine erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorgehensweise zur Bestimmung der das Geräuschverhalten optimierenden Phasenströme einer elektrischen Maschine und
5 die Gegenüberstellung eines Radialkraftspektrums einer elektrischem Maschine und eines erfindungsgemäß optimierten Radialkraftspektrums einer elektrischen Maschine.
Ausführungsvarianten
1 ist die Darstellung eines 6-polig ausgebildeten Stators eines Reluktanzmotors zu entnehmen.
Ein Stator 1 einer 6-polig ausgebildeten elektrischen Maschine, wie beispielsweise eines Reluktanzmotors, ist an seiner Umfangsfläche 2 von einem in 1 nicht dargestellten Gehäuse, welches die elektrische Maschine nach außen kapselt, umschlossen. Auf der an eine Läuferöffnung 12 zuweisenden Seite des Stators 1 sind ein erster Pol 5, ein zweiter Pol 6, ein dritter Pol 7, ein vierter Pol 8, ein fünfter Pol 9 und ein sechster Pol 10 ausgebildet, die jeweils eine dem in 1 nicht dargestellten Läufer zuweisende Polflächenkrümmung 11 aufweisen. Mit Bezugszeichen 4 ist die Symmetrieachse des Stators 1 be zeichnet, der eine Längserstreckung 3 aufweist. Bei Bestromung des ersten Poles 5 und des vierten Poles 8, die einander gegenüberliegen und die bei als Reluktanzmotoren ausgebildeten elektrischen Maschinen stets gleichzeitig bestromt werden, treten die in Pfeilform dargestellten magnetischen Kräfte 13 bzw. 14 auf. Im Falle der Bestromung des ersten Poles 5 sowie des vierten Poles 8 bleiben die verbleibenden Pole 6 und 7 bzw. 9 und 10 unbestromt, so daß eine asymmetrische Krafteinleitung in den Stator 1 erfolgt.
2 zeigt die elliptische Verformung des Stators gemäß 1, wobei die Auslenkung der nicht bestromten Pole überzeichnet dargestellt ist.
Bei der Bestromung des ersten Poles 5 sowie gleichzeitiger Bestromung des diesem gegenüberliegenden vierten Poles 8 erfolgt eine Deformation des Stators 1, wie in 2 dargestellt. Durch die Bestromung des ersten Poles 5 und des vierten Poles 8 werden diese durch die magnetischen Kräfte 13 bzw. 14 (vgl. Darstellung gemäß 1) in Richtung auf den in 2 nicht dargestellten Läufer der elektrischen Maschine angezogen, d.h. der Luftspalt zwischen der Krümmungsfläche 11 des ersten Poles 5 sowie der Krümmungsfläche 11 des vierten Poles 8 in Bezug auf die Läuferumfangsfläche verringert sich. Aufgrund der asymmetrisch erfolgenden Krafteinleitung in das Eisenmaterial des Stators 1 wird dieser derart verformt, daß in vertikale Richtung eine Abflachung 21 des Stators 1 erfolgt, wohingegen in horizontale Richtung, in Äquatorebene des Stators 1, eine Ausbauchung 22 des Stators 1 auftritt. Die durch die gleichzeitige Bestromung des ersten Poles 5 und des vierten Poles 8 auftretende asymmetrische Verformung hat eine Durchmesserreduzierung 29 des Stators 1 in vertikale Richtung zur Folge, wohingegen der Stator 1 in horizontale Richtung eine Durchmesseraufweitung 30 erfährt.
Aufgrund der in 2 dargestellten Verformung stellt sich eine in dieser Momentaufnahme festgehaltene elliptische Verformung 20 des Stators 1 ein. Der erste Pol 5 sowie der zweite Pol 8 befinden sich jeweils in ihren nicht ausgelenkten Positionen 23, 24, wohingegen die verbleibenden, nicht bestromten Pole 6 und 7 bzw. 9 und 10 aufgrund der elliptischen Verformung 20 des Statormaterials eine Auslenkung erfahren. So nimmt der zweite Pol 6 des Stators 1 eine ausgelenkte Pollage an, die in 2 mit Bezugszeichen 25 identifiziert ist, während der dritte Pol des Stators 1 aufgrund der Deformation des Stators von seiner nicht ausgelenkten Lage, vgl. Bezugszeichen 7, in eine ausgelenkte Lage 26 überführt wird.
Analog dazu wird aufgrund der Verformung des Stators bei gleichzeitiger Bestromung des ersten Poles 5 und des vierten Poles 8 der fünfte Pol 9 von seiner nicht ausgelenkten Lage in eine ausgelenkte Lage 27 überführt; der sechste Pol 10 des Stators 1 nimmt bei der elliptischen Verformung 20 des Stators 1 eine ausgelenkte Pollage 28 ein.
Aufgrund der wechselweisen, paarweisen Bestromung einander gegenüberliegender Pol-paare 5 und 8 bzw. 6 und 9 bzw. 7 und 10 tritt im Betrieb eines Reluktanzmotors die in 2 dargestellte elliptische Schwingform 20 auf. Ist der Stator 1, dessen elliptische Verformung 20 in der Darstellung gemäß 2 überzeichnet dargestellt, von einem Gehäuse umschlossen, so überträgt sich die elliptische Schwingungsform 20 an das den Stator 1 umgebende Gehäuse und regt dies ebenfalls zu Schwingungen an. Aufgrund dessen strahlt der Reluktanzmotor ein magnetisch verursachtes Geräusch ab, was im wesentlichen durch die magnetisch verursachten Radialkräfte hervorgerufen ist.
3 zeigt einen Umrichter zur Ansteuerung eines Reluktanzmotors.
Eine als Umrichter ausgestaltete Ansteuerelektronik 57 einer elektrischen Maschine umfaßt einen Prozessor 70, der über eine Spannungsversorgung mit Überwachungsfunktion 71 von einem Bordnetz oder einer Fahrzeugbatterie mit Spannung versorgt wird. Dem Prozessor 70 der Ansteuerelektronik 57 kann optional ein Programm-RAM 72 zugeordnet sein; darüber hinaus ist dem Prozessor 70 der Ansteuerelektronik 57 ein serielles EEPROM 73 zugeordnet. Die Verbindung des Prozessors 70 der Ansteuerelektronik 57 erfolgt über einen CAN-Treiberbaustein 74. Die Diagnose des Prozessors 70 hinsichtlich im Betrieb aufgetretener Fehler sowie das Auslesen eines Fehlerspeichers erfolgt über einen dem Prozessor 70 der Ansteuerelektronik 57 zugeordneten Diagnosebaustein 75.
Der Prozessor 70 der Ansteuerelektronik 57 umfaßt einen Stromport 1, Bezugszeichen 76.1, einen weiteren Stromport 2, Bezugszeichen 76.2 sowie einen dritten Stromport 3, Bezugszeichen 76.3, die sich jeweils zu einem ersten Stromsensor 83, zu einem zweiten Stromsensor 84 sowie zu einem dritten Stromsensor 85 erstrecken. Ferner umfaßt der Prozessor 70 der Ansteuerelektronik 57 einen Positionssensor 77, der in der Darstellung gemäß 3 lediglich schematisch angedeutet ist. Die Einzelstränge 80, 81, 82 des Reluktanzmotors sind über eine H-Brückenschaltung verschaltet. Die Schaltung umfaßt Schaltelemente 78.1, 78.2, 78.3 auf der High-Side 90 sowie Schaltelemente 78.4, 78.5 und 78.6 auf der Low-Side 89. Die Schaltelemente 78.1, 78.2, 78.3 bzw. 78.4, 78.5 sowie 78.6 können als Transistoren, beispielsweise als FET-Transistoren, MOS-FET-Transistoren oder auch als Bipolartransistoren oder IGBT-Halbleiterbauelemente ausgebildet sein. Jedem der Schaltelemente 78.1 bis 78.6 ist eine Sperrdiode 86 sowohl auf der High-Side 90 als auch auf der Low-Side 89 parallelgeschaltet. Vom Prozessor 70 der Ansteuerelektronik 57 erstrecken sich Ansteuerleitungen 79.1, 79.2 bzw. 79.3 zu den elektronischen Schaltelemen ten 78.1, 78.2 und 78.3 auf der High-Side 90. Die auf der Low-Side 89 angeordneten Schaltelemente 78.4, 78.5 und 78.6 werden über die Ansteuerleitungen 79.4, 79.5 bzw. 79.6 angesteuert.
Jedem dem ersten Strang 80, dem zweiten Strang 81 sowie dem dritten Strang 82 des Reluktanzmotors sind damit auf High- bzw. Low-Side 90, 89 jeweils ein Schaltelement 78.1, 78.4 bzw. 78.2, 78.5 sowie 78.3 bzw. 78.6 und eine den Schaltelementen parallelgeschaltete Sperrdiode 86 zugeordnet. Über den dem ersten Strang 80 zugeordneten Stromsensor 1, Bezugszeichen 83, wird der Strom in diesem Strang des Reluktanzmotors gemessen, wobei der zweite Stromsensor 84 sowie der dritte Stromsensor 85 dem zweiten Strang 81 bzw. dem dritten Strang 82 des Reluktanzmotors zugeordnet sind. Die Strommessungen können über Stromwandler, wie zum Beispiel Shunts, LEM-Wandler oder die aufgezählten Leistungstransistoren erfolgen. Die H-Brückenschaltung der Ansteuerelektronik 57 zur Ansteuerung eines Reluktanzmotors umfaßt ferner einen Masseanschluß 88 sowie ein Kondensatorbauelement 87, welches als Elektrolytkondensator, Folienkondensator oder Plattenkondensator oder auch als Keramikkondensatorbauelement ausgestaltet sein kann.
Mit der dargestellten Ansteuerelektronik 57 lassen sich die in den Strängen 80, 81, 82 des Reluktanzmotors fließenden Ströme I₁, I₂ sowie I₃ messen.
Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren lassen sich die Phasenströme und damit die magnetischen Kräfte derart vorgeben, daß kritische Schwingformen wie die in 2 dargestellte kritische elliptische Schwingform 20 des Stators 1 und damit des Motorgehäuses der elektrischen Maschine möglichst wenig angeregt werden. Die Stromform wird durch die Ansteuerelektronik 57 (vgl. Darstellung gemäß 3) so vorgegeben, daß das Kraftspektrum im Bereich der kritischen Resonanzfrequenzen der elektrischen Maschine wie zum Beispiel eines Reluktanzmotors minimale Kraftanteile, im Idealfalle gar keine Kraftanteile (in radiale Richtung) aufweist. Dies kann zum Beispiel gemäß einer zeichnerisch nicht dargestellten Vorgehensweise dadurch erreicht werden, daß bei einem bekannten schwingfähigen System, eine elektrische Maschine wie zum Beispiel einen Reluktanzmotor und dessen Halterung umfassend, die kritischen Eigenfrequenzen, d.h. die Resonanzfrequenzen des eingebauten Motors bekannt sind. An der Ansteuerelektronik 57 (vgl. Darstellung gemäß 3) kann die Einstellung der Bestromung der einzelnen Stränge 80, 81, 82 bzw. Phasen derart erfolgen, daß die Radialkräfte in den bekannten Frequenzbereichen, in denen die kritische Eigenfrequenz oder die kritischen Eigenfrequenzen liegen, minimale Amplituden aufweisen (vgl. 5, dort Radialkraftspektrum 60). Die Stromform, mit welcher über eine Ansteuerelektronik 57 die einzelnen Stränge 80, 81, 82 der elektrischen Maschine angesteuert werden, kann beispielsweise über ein pulsweitenmodu lierbares Signal eingestellt werden und so hinsichtlich des Auftretens von Kraftanteilen im Kraftspektrum der elektrischen Maschine optimiert werden.
4 zeigt die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorgehensweise zur Bestimmung das Geräuschverhalten einer elektrischen Maschine optimierender Phasenbestromung.
4 zeigt in schematischer Wiedergabe die Signalaufnahme bzw. Signalverarbeitung gemäß des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens. Über ein Sensorelement 43, beispielsweise einen Beschleunigungssensor oder einen piezoelektrischen oder einen piezoresistiven Sensor, werden im Betrieb der elektrischen Maschine, wie beispielsweise eines Reluktanzmotors, der abweichend von der in 1 dargestellten Darstellung seines Ständers auch mehr als sechs Pole aufweisen kann, in einem oder in mehreren Referenzpunkten die Beschleunigung sowie die in den einzelnen Phasen fließenden Ströme I₁, I₂, I₃ gemessen. Die von dem Sensor 43 aufgenommenen Signale werden über eine Signalleitung 44 an eine Beschleunigungserfassung 40 übermittelt, die ein Filterelement 45 zur Verbesserung der Signalqualität aufweisen kann, wie zum Beispiel einen Tiefpaßfilter, Hochpaß- oder Bandpaßfilter. Die gemessenen Beschleunigungssignale a können nach Durchlauf einer ersten Transformation 41 in den Frequenzbereich transformiert werden. Als Transformationsverfahren zur Umwandlung zur Transformation der mittels des Sensorelementes 43 gemessenen Beschleunigungen wird vorzugsweise die Fast Fouriertransformation (FFT) eingesetzt. Die Transformation der Beschleunigungssignale a in den Frequenzbereich erlaubt eine Ermittlung kritischer Frequenzbereiche, die innerhalb eines Kennfeldes oder eines Speichers abgelegt werden können. Alternativ kann bei der Ermittlung der kritischen Frequenzen (Eigenfrequenz, Resonanzfrequenz) oder der Eigenfrequenzen (Resonanzfrequenzen) das gesamte schwingfähige System, die elektrische Maschine und deren Halterung, beispielsweise am Motorblock einer Verbrennungskraftmaschine berücksichtigt werden. Die im Betrieb der elektrischen Maschine auftretenden kritischen Frequenzbereiche bzw. kritische Frequenzbereich wird in einem Kennlinienfeld 42 oder in einem Speicher abrufbar vorgehalten und einer in 4 mit Bezugszeichen 52 bezeichneten Minimierungsstufe zugeführt.
Analog zur Ermittlung der Beschleunigungswerte der elektrischen Maschine in einer Phasenstrommessung 46, die pro Phase der elektrischen Maschine einen Stromwandler 47 enthalten kann, kann eine Ermittlung der aktuellen, im Betrieb der elektrischen Maschine auftretenden Ströme I₁, I₂, I₃, die in den Strängen 80, 81 und 82 des Reluktanzmotors fließen, über Shunts, LEM-Wandler sowie Leistungstransistoren erfolgen.
Der Verlauf der Phasenströme der elektrischen Maschine kann drehzahlabhängig in einer Anzahl von Kennfeldern abgespeichert werden, was im Offline-Modus erfolgen kann, so daß an einer elektrischen Maschine aufgenommene Phasenströme für alle baugleichen elektrischen Maschinen weitestgehend übernommen werden können. Dies gilt ebenso für die Beschleunigungen a der elektrischen Maschine in ein oder mehreren Referenzpunkten. Auch die Werte für die auftretenden Beschleunigungen a der elektrischen Maschine können im Offline-Modus aufgenommen werden und auf alle baugleich ausgeführten elektrischen Maschinen übertragen werden. Die in den Kennfeldern abgelegten drehzahlabhängigen Verläufe für die Phasenströme, aufgenommen bei der Phasenstrommessung 46 sowie die Beschleunigungen a der elektrischen Maschinen stehen, in Kennfeldern abgelegt, für einen Zugriff durch eine Korrelationsstufe 48 bereit.
Die Bestimmung der in den Phasen der elektrischen Maschine auftretenden Phasenströme I₁, I₂ sowie I₃ kann – wie auch die Ermittlung der Beschleunigungen a der elektrischen Maschinen – in einem oder in mehreren Referenzpunkten ermittelt werden. Auch eine Ermittlung dieser Betriebsparameter der elektrischen Maschine in einem Referenzpunktraster ist möglich. Wird ein Referenzpunktraster zur Ermittlung der aufgezählten Betriebsparameter Beschleunigung a sowie Phasenströme I₁, I₂, I₃ gewählt, so kann dies in vorteilhafter Weise im Bereich der zu erwartenden Eigenfrequenzen entweder der elektrischen Maschine allein oder im Bereich der zu erwartenden Eigenfrequenzen eines schwingfähigen Systems, die elektrische Maschine und deren Halterung umfassend, aufbereitet werden.
Nach Ermittlung der Phasenströme I₁, I₂, I₃ innerhalb der Phasenstrommessung 46 werden diese Meßwerte repräsentierende Signale an eine Korrelationsstufe 48 übermittelt, in welcher aus den ermittelten Phasenströmen I₁, I₂ sowie I₃ zeitliche Verläufe der auftretenden Magnetkräfte berechnet werden, wobei insbesondere hinsichtlich der Geräuschverursachung die Radialkraftkomponente eine besondere Berücksichtigung erfährt. Die Radialkraftkomponenten einer elektrischen Maschine, die hinsichtlich der Verursachung von Geräusch besonders kritisch sind, können beispielsweise beim Vermessen der elektrischen Maschine für bestimmte, bevorzugt von der elektrischen Maschine angenommene Drehzahlen bzw. durch fahrende Drehzahlbereiche aufgenommen werden. Aus den für einzelne Drehzahlen bzw. Drehzahlbereichen resultierenden zeitlichen Magnetkraftverläufe lassen sich Kennlinienfelder ("Look up table") ermitteln, die abspeicherbar sind. Diese lassen sich insbesondere in der Korrelationsstufe 48 ablegen oder aus einem funktionalen Zusammenhang von Kraft – hier Radialkraft – und Drehwinkel ermitteln.
Analog zur Transformation der gemessenen Werte für die Beschleunigungen a der elektrischen Maschine in der Beschleunigungserfassung 40 werden die aus den Phasenströmen I₁, I₂, I₃ in der Korrelationsstufe 48 berechneten zeitlichen Verläufe der Magnetkraft mittels einer Fourier-Transformation 49 in Magnetkraftspektren 60 umgerechnet. Die Magnetkraftspektren, von denen eines, nämlich das nicht optimierte, gemessene Magnetkraftspektrum in 4 mit Bezugszeichen 16 gekennzeichnet ist, wird an die bereits erwähnte Minimierungsstufe 52 übertragen.
Innerhalb der mit Bezugszeichen 52 bezeichneten Minimierungsstufe können per Software/Algorithmus im Rahmen der Vermessung der elektrischen Maschine, wie beispielsweise eines Reluktanzmotors, die zeitlichen Magnetkraftverläufe bzw. daraus abgeleitete Kennlinienfelder, die in der Korrelationsstufe 48 abgelegt sind, dahingehend minimiert werden, daß aus diesen die hinsichtlich einer Schwingungsanregung der elektrischen Maschine durch auftretende Radialkräfte günstigste – im Idealfall – keine Radialkräfte aufweisende Kennlinie ausgewählt wird. Alternativ kann der Minimierungsstufe 52 auch die Eigenfrequenz eines schwingfähigen Systems, eine elektrische Maschine sowie deren Halterung umfassend bzw. deren ermittelte kritische Eigenfrequenzen (Resonanzfrequenzen), sollte es sich um mehrere handeln, zugeführt werden. Innerhalb der Minimierungsstufe 52 erfolgt eine Korrelation der genannten kritischen Eigenfrequenz entweder der elektrischen Maschine oder des schwingfähigen Systems, die elektrische Maschine sowie deren Halterung umfassend, mit dem ermittelten Magnetkraftspektrum, insbesondere dem Radialkraftspektrum der magnetischen Kraft, welches an die Minimierungsstufe 52 über eine Übermittlung 51 übertragen wird. Die Zeitverläufe der magnetischen Kraft werden in den Frequenzbereich transformiert und die Amplituden kritischer Frequenzen bzw, kritischer Frequenzbereiche zu Null gesetzt. Die Minimierung bzw. das Nullsetzen der Amplituden kritischer Frequenzen bzw. kritischer Frequenzbereiche erfolgt im Rahmen einer Berechnung per Software, wobei die in den Positionen 50, 52 und 54 unter Zwischenschaltung einer inversen Fouriertransformation 53 erfolgenden Berechnungsschritte in einer Workstation oder dergleichen vorgenommen werden können, was im Rahmen einer Vermessung der einzusetzenden elektrischen Maschinen, d.h. der Reluktanzmotoren, erfolgen kann. Anstelle eines zu Nullsetzens können die Amplituden kritischer Frequenzen auch minimiert werden. Dabei ist die Nebenbedingung zu berücksichtigen, daß der Zeitverlauf der Kraft positiv ist, da sich Stator und Rotor nur anziehen können, was eine prinzipbedingte Eigenheit eines Reluktanzmotors ist. Beim "zu Nullsetzen" und bei Durchführung der inversen FFT-Transformation 53 können auch Kräfte in die andere Richtung, d.h. negative Kräfte, erhalten werden, was bei anderen Motorprinzipien durchaus zulässig ist, jedoch bei Reluktanzmotoren prinzipbedingt ausscheiden muß.
Im Rahmen einer in einer inversen FFT-Transformation 53 wird das optimierte Radialkraftspektrum der magnetischen Kraft 61 (vgl. Darstellung gemäß 5, dort Kurvenzug 61) in den Zeitbereich rücktransformiert, d.h. aus dem optimierten Kraftspektrum der magnetischen Kraft erhält man die optimierten Magnetkraftzeitverläufe.
Aus den optimierten Magnetkraftzeitverläufen, die aus der inversen FFT-Transformation 53 des optimierten Radialkraftspektrums 61 (vgl. 5) erhalten werden, lassen sich optimierte Phasen/Strangströme I₁*, I₂*, I₃* ermitteln. Diese werden am Ausgang 56 einer Berechnungsstufe 55 bereitgestellt und der hier in 4 nur schematisch dargestellten Ansteuerelektronik 57 der elektrischen Maschine aufgegeben. Die Ansteuerelektronik 57, welcher eingangsseitig die optimierten Phasenströme I_1*, I_2* sowie I_3*. aufgegeben werden, generiert Ansteuerimpulse 58 für die Halbleiterbauelemente, welche die einzelnen Phasen der elektrischen Maschine mit den in der Berechnungsstufe 55 ermittelten optimalen Phasenstromwerten auch hinsichtlich ihres zeitlichen Versatzes ansteuern.
Ist die elektrische Maschine zum Beispiel als ein 6-poliger Reluktanzmotor ausgebildet, so können die Ansteuerimpulse 58 der Phasen dieser elektrischen Maschine in der Weise mit den optimierten Phasenstromwerten I₁*, I₂*, I₃* angesteuert werden, so daß die sechs Pole 5, 6, 7, 8, 9 und 10 eines 6-poligen Stators 1 (vgl. Darstellung gemäß 1) derart bestromt werden, daß aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens sich die in 2 dargestellte elliptische Schwingform des Stators 1 nicht einstellt, da eine Schwingungsanregung aufgrund des optimierten Radialkraftspektrums 61 der magnetischen Kraft nicht mehr angeregt wird und demzufolge die als Reluktanzmotor ausgebildete elektrische Maschine geräuschärmer läuft. Wird bei der Bestimmung der kritischen Eigenfrequenz bzw. der kritischen Eigenfrequenzen außer der elektrischen Maschine deren Halterung am Motorblock einer Verbrennungskraftmaschine beispielsweise oder deren Gehäusemantel zusätzlich mit einbezogen, können die ermittelte kritische Eigenfrequenz bzw. die ermittelten kritischen Eigenfrequenzen für das gesamte schwingfähige System berücksichtigt werden und bei der Berechnung der optimierten Phasenströme I₁*, I₂*, I₃* mit berücksichtigt werden. Bei bürstenlosen Elektromotoren (BLDC-Motoren) werden die einzelnen Phasen der elektrischen Maschine nacheinander elektronisch bestromt. Auch für solcherart konfigurierte elektrische Maschinen generiert die Ansteuerelektronik 57, die in 3 beispielhaft wiedergegeben ist, geeignete Ansteuersignale 58, um die Phasen/Stränge 80, 81, 82 hinsichtlich einer Geräuschoptimierung der elektrischen Maschine mit optimierten Phasen/Strangströmen I₁*, I₂* bzw. I₃* anzusteuern. Die Ansteuerelektronik 57 kann dazu beispielsweise Halbbrücken enthalten, die jeweils zwei elektronische Leistungshalbleiter umfaßt, wie zum Beispiel Transistoren. Die Transistoren können als als MOS-FET-Transistoren, Bipolartransistoren oder als IGBT- bzw. ICGT-Bauelemente beschaffen sein.
5 zeigt die Gegenüberstellung eines Radialkraftspektrums einer elektrischen Maschine und eines gemäß des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens optimierten Radialkraftspektrums der magnetischen Kraft.
Der Darstellung gemäß 5 sind zwei Radialkraftspektren 60 bzs. 61 zu entnehmen. Im in 4 dargestellten Diagramm sind die Amplitude der Radialkraft in dB und die Frequenz in Hz aufgetragen. Mit dem Bezugszeichen 62 ist der Bereich einer kritischen Resonanzfrequenz, die zur Anregung beispielsweise der elliptischen Schwingform 20 gemäß der Darstellung in 2 an einem 6-polig ausgebildeten Reluktanzmotor begünstigt, bezeichnet. Der Beginn des Resonanzbereiches 62 ist mit Bezugszeichen 63 und das Ende des Resonanzbereiches 62 mit Bezugszeichen 64 identifiziert. Mit Bezugszeichen 65 ist eine einzelne kritische Eigenfrequenz eines schwingfähigen Systems, eine elektrische Maschine sowie deren Halterung beispielsweise am Motorblock einer Verbrennungskraftmaschine, bezeichnet. Aus der Gegenüberstellung der in 5 dargestellten Radialkraftspektren 60 bzw. 61 geht hervor, daß im Falle der Messung der Phasenströme I₁*, I₂*, I₃* der elektrischen Maschine ein Radialkraftspektrum 50 hinsichtlich des zeitlichen Verlaufes der magnetischen Kräfte ermittelt werden kann. Da die Messung der Phasenströme I₁, I₂ sowie I₃ in der Phasenmessung 46 gemäß 4 die tatsächlichen Verhältnisse, d.h. die nicht optimierten Verhältnisse wiedergibt, entspricht das aus einem gemessenen Phasenstromverlauf resultierende Radialkraftspektrum 60 gemäß der Darstellung in 5 den tatsächlichen Verhältnissen, d.h. enthält Radialkraftanteile, die zur Anregung beispielsweise der elliptischen Schwingform 20 bei elektrischen Maschinen, die als 6-polige Reluktanzmotoren ausgebildet sind, führen kann. Gemäß des vorliegenden Verfahrens erfolgt durch die Berücksichtigung der kritischen Eigenfrequenzen innerhalb der Minimierungsstufe 52 (vgl. Darstellung gemäß 4) ein Null-Setzen bzw. ein Minimieren der kritischen Frequenzen, d.h. der Eigenfrequenz bzw. der Eigenfrequenzen bzw. der Eigenfrequenz des schwingfähigen Systems, die elektrische Maschine sowie deren Halterung in einer Verbrennungskraftmaschine umfassend.

1: Stator
2: Umfassungsfläche
3: Axialerstreckung
4: Symmetrieachse
5: erster Pol
6: zweiter Pol
7: dritter Pol
8: vierter Pol
9: fünfter Pol
10: sechster Pol
11: Polflächenkrümmung
12: Läuferöffnung
13: erster Magnetkraftverlauf
14: zweiter Magnetkraftverlauf
20: elliptische Schwingform Stator
21: Abflachung Stator
22: Ausbauchung Stator
23: Pollage erster Pol
24: Pollage vierter Pol
25: ausgelenkte Pollage zweiter Pol
26: ausgelenkte Pollage dritter Pol
27: ausgelenkte Pollage fünfter Pol
28: ausgelenkte Pollage sechster Pol
29: Durchmesserverringerung Stator
30: Durchmesserzunahme Stator
40: Beschleunigungserfassung
41: erste Transformation (FFT)
42: kennfeldkritische Frequenzbereiche
43: Beschleunigungssensor
44: Signalleitung
45: Filter (Tiefpaßfilter)
46: Phasenstrommessung
47: Stromwandler
48: Korrelationsstufe Phasenströme/zeitliche Magnetkraftverläufe
49: zweite Transformation (FFT)
50: Ermittlung Magnetkraftspektrum
51: Übermittlung
52: Minimierungsstufe für Magnetkraftspektrum
53: Rücktransformation (IFFT)
54: optimierte Magnetkraftverläufe
55: Berechnung optimierter Phasenströme
56: Ausgabe Motorsteuerelektronik
57: Ansteuerelektronik elektrische Maschine
58: Ansteuersignale
60: erstes Radialkraftspektrum elektrische Maschine
61: zweites, optimiertes Radialkraftspektrum
62: Resonanzfrequenzbereich
63: Beginn Resonanzfrequenzbereich
64: Ende Resonanzfrequenzbereich
65: Resonanzfrequenz
66: Resonanzfrequenzanteile
70: Prozessor
71: Spannungsversorgung
72: optionales Programm-RAM
73: serielles EEPROM
74: CAN-Treiberbaustein
75: Diagnosebaustein
76.1: Stromsensor Port 1
76.2: Stromsensor Port 2
76.3: Stromsensor Port 3
77: Positionssensor
78.1: Schalter
78.2: Schalter
78.3: Schalter
78.4: Schalter
78.5: Schalter
78.6: Schalter
79.1: Ansteuerleitungen Schalter
79.2: Ansteuerleitungen Schalter
79.3: Ansteuerleitungen Schalter
79.4: Ansteuerleitungen Schalter
79.5: Ansteuerleitungen Schalter
79.3: Ansteuerleitungen Schalter
79.6: Ansteuerleitungen Schalter
80: Strang 1
81: Strang 2
82: Strang 3
83: Stromsensor 1
84: Stromsensor 2
85: Stromsensor 3
86: Sperrdiode
87: Kondensator
88: Masseanschluß
89: Low-Side
90: High-Side

Claims

Verfahren zur Geräuschminderung an elektrischen Maschinen, die mit einer Ansteuerelektronik (57) betrieben werden, über welche die Bestromung geschaltet wird, mit einem Stator (1), der eine Anzahl von Polen (5 bis 10) aufweist und einen Läufer umgibt, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Ansteuerelektronik (57) die Phasenströme I₁, I₂, I₃ derart vorgegeben werden, daß im Radialkraftspektrum (61) der elektrischen Maschine im Bereich einer kritischen Resonanzfrequenz (65) bzw. im Bereich (63, 64) kritischer Resonanzfrequenzen Radialkraftanteile minimiert werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei bekannter kritischer Eigenfrequenz bzw. bekannten kritischen Eigenfrequenzen der elektrischen Maschine die Ansteuerelektronik (57) derart betrieben wird, daß das Radialkraftspektrum (61) der elektrischen Maschine bei dieser Frequenz (65) bzw. in diesen Frequenzbereichen (63, 64) minimale Amplituden aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß im Betrieb der elektrischen Maschine deren Beschleunigung a mittels eines Beschleunigungssensors (43) erfaßt und die Beschleunigungswerte an eine Beschleunigungserfassung (40) übertragen werden.
Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungswerte der elektrischen Maschine in einer als Tiefpaßfilter beschaffenen Filterungsstufe (45) gefiltert werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Betrieb der elektrischen Maschine deren aktuelle Strangströme I₁, I₂, I₃ in einer Strangstrommessung (46) mit Stromwandlern gemessen werden.
Verfahren gemäß der Ansprüche 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigung a und die Phasenströme I₁, I₂, I₃ in einem oder in mehreren Referenzpunkten gemessen werden.
Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die die Beschleunigung der elektrischen Maschine repräsentierenden Beschleunigungssignale durch eine erste Transformation (41) in den Frequenzbereich (42) transformiert werden und kritische Frequenzen (Eigen-/Resonanzfrequenzen) ermittelt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Ermittlung kritischer Frequenzen oder kritscher Frequenzbereiche ein schwingfähiges System, die elektrische Maschine und deren Halterung umfassend, berücksichtigt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß aus den gemessenen Strangströmen I₁, I₂, I₃ der elektrischen Maschine ein zeitlicher Verlauf magnetischer Kräfte berechnet wird, der in Kennlinienfeldern in einer Korrelationsstufe (48), einer Minimierungsstufe (52) und/oder Optimierungsstufe (54) abgelegt sind.
Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß aus den zeitlichen Verläufen der Magnetkräfte (48) durch eine Transformation (49) Magnetkraftspektren (60) bestimmt werden, welche die Radialkraftanteile der elektrischen Maschine über den gesamten Frequenzbereich enthalten.
Verfahren gemäß der Ansprüche 3 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Minimierungsstufe (52) die kritische Eigenfrequenz (65) oder die kritischen Eigenfrequenzbereiche (63, 64) der elektrischen Maschine im eingebauten Zustand im erhaltenen Magnetkraftspektrum (60) zu Null gesetzt oder minimiert und in ein optimiertes Magnetkraftspektrum (61) rücktransformiert werden.
Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß aus den optimierten Magnetkraftspektren (61) optimierte Phasenströme I₁*, I₂*, I₃* berechnet werden.
Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die optimierten Phasenströme I_1*, I_2*, I_3* der Auswerteelektronik (57) aufgegeben werden, die Ansteuersignale (48) für die Leistungshalbleiter (78.1, 78.2, 78.3, 78.4, 78.5, 78.6) generieren.
Verwendung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 zur Ansteuerung einer mehrpoligen elektrischen Maschine, bei der einander gegenüberliegende Pole (5, 8; 6, 9; 7, 10) paarweise bestromt werden.
Verwendung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 zur Ansteuerung einer bürstenlosen elektrischen Maschine mit sequentieller Phasenansteuerung.