DE10254295A1

DE10254295A1 - Erfassung der Läufertemperatur bei permanenterregten Drehfeldmaschinen

Info

Publication number: DE10254295A1
Application number: DE2002154295
Authority: DE
Inventors: Kurt Reutlinger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-11-21
Filing date: 2002-11-21
Publication date: 2004-06-03

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Läufertemperatur (T¶2¶) einer permanenterregten Drehfeldmaschine (1) mit einem im Läufer angeordneten Magnetsystem. Eine besonders einfache und kostengünstige Bestimmung der Läufertemperatur kann dadurch erreicht werden, dass die Läufertemperatur (T¶2¶) auf der Grundlage einer aktuellen Leerlaufspannung (U¶0¶(T¶2¶)) und einer Referenz-Leerlaufspannung (U¶0¶(T¶1¶)) berechnet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Läufertemperatur einer permanenterregten elektrischen Maschine, insbesondere einer Drehfeldmaschine, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine entsprechende Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.
Permanenterregte Drehfeldmaschinen, insbesondere Synchronmaschinen, BLCD-Motoren oder EC-Maschinen, werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt und können entweder als Motor oder als Generator betrieben werden. Eine permanenterregte Drehfeldmaschine umfasst einen drehenden Teil (Läufer bzw. Rotor) mit einem Magnetsystem und einen feststehenden Teil (Ständer bzw. Stator) mit einem Spulensystem, in dem eine Spannung induziert wird. Das Magnetsystem besteht bei diesem Maschinentyp aus Dauermagneten.
Die magnetische Qualität (Remanenzflußdichte) der Dauermagneten ist für den Wirkungsgrad der Maschine von wesentlicher Bedeutung. Sie nimmt bei den meisten Magnetmaterialien jedoch mit der Temperatur ab. Bei Seltenerd-Magneten ist diese Abnahme mit der Temperatur besonders stark. Bei Überschreitung einer Grenztemperatur in den Magneten kommt es zu einer irreversiblen Entmagnetisierung der Magnete und somit zu einer Schädigung der Maschine. Diese Entmagnetisierung kann nur durch ein Aufmagnetisieren der Magnete mit sehr starken Magnetfeldern rückgängig gemacht werden. Dies ist jedoch relativ aufwändig und kann insbesondere nicht im zusammengebauten Zustand oder gar während des Betriebs durchgeführt werden.
Permanenterregte Maschinen mit einem im Rotor angeordneten Magnetsystem werden daher meist temperaturüberwacht. Eine Temperaturerfassung ist bei diesem Maschinentyp sehr schwierig, da ein Temperatursensor auf dem Läufer montiert werden und die Messwerte an den Stator übertragen werden müssen.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine entsprechende Anordnung zu schaffen, mit dem bzw. der die Läufer- bzw. Magnettemperatur wesentlich einfacher bestimmt werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 sowie im Patentanspruch 6 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Der wesentliche Gedanke der Erfindung besteht darin, die Läufertemperatur in einer permanenterregten Maschine nicht mittels einer Sensorik zu messen, sondern die Läufertemperatur auf der Grundlage einer aktuellen Leerlaufspannung und einer Referenz-Leerlaufspannung zu berechnen.
Die erforderlichen Leerlaufspannungen können im Leerlaufbetrieb (Leerlaufstrom I = 0) der Maschine unmittelbar an den Klemmen abgegriffen werden. Bei Betrieb der Maschine (Maschine ist belastet) können die Leerlaufspannungen auch aus anderen Maschinengrößen, wie z.B. dem Quer- und Längsstrom der Maschine, berechnet werden. Die Berechnung der Läufertemperatur auf der Grundlage der Leerlaufspannungen hat den Vorteil, dass kein Temperatursensor erforderlich ist, um die Läufertemperatur zu messen. Die Berechnung der Läufertemperatur kann in einer Auswerteeinheit, der die hierfür notwendigen Maschinengrößen zugeführt werden, in einfacher Weise durchgeführt werden.
Die aktuelle Läufertemperatur T₂ wird vorzugsweise als eine Funktion eines Verhältnisses aus aktueller Leerlaufspannung U₀(T₂) und Referenz-Leerlaufspannung U₀(T₁) berechnet. Es gilt somit:
Bei der Berechnung der Läufertemperatur T₂ kann z.B. eine Remanenz mit linearer Temperaturabhängigkeit Br(T) = (1 + kBr* (T–T0)) * Br(T0) oder exponentieller Temperaturabhängigkeit
zugrundegelegt werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung beispielhaft näher erläutert.
1 zeigt ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Bestimmung der Läufertemperatur einer permanenterregten Drehfeldmaschine, umfassend eine Drehfeldmaschine 1, einen Umrichter 2, eine Auswerteeinheit 3 und eine Sensorik 7 (z.B einen Drehzahlmesser). Im Block 1 ist das Ersatzschaltbild der Drehfeldmaschine 1 dargestellt. Dieses umfasst einen Widerstand 4 (R), eine Induktivität 5 (L) und eine Leerlaufspannungsquelle 6 (U₀).
Das dargestellte Beispiel bezieht sich auf eine 1-Phasen-Wechselstrommaschine. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der Läufertemperatur kann jedoch gleichermaßen bei Drehstrom- oder Gleichstrommaschinen durchgeführt werden.
Die Drehfeldmaschine 1 hat zwei Klemmen K1,K2 an denen eine einphasige Wechselspannung U anliegt. An den beiden Klemmen K1,K2 ist ein Umrichter 2 angeschlossen, der im Generatorbetrieb der Maschine 1z.B. eine Batterie (nicht gezeigt) speist.
Die Auswerteeinheit 3 ist mit dem Umrichter 2 verbunden und 0 erhält von diesem die zur Berechnung der Läufertemperatur T₂ erforderlichen elektrischen Größen.
Die Berechnung der Läufertemperatur T₂ beruht auf der Tatsache, dass die Remanenzflußdichte B_r von Magnetmaterialien eine Funktion der Temperatur ist. Dieser physikalische Zusammenhang kann vereinfacht beispielsweise linear dargestellt werden. Die Remanenzflußdichte B_r(T) bei einer Temperatur T ist dann Br(T) = (1 + kBr*(T–T0))*Br(T0) (1) wobei k_Br ein materialspezifischer Parameter des Magneten ist. Typische Werte für NdFeB-Magnete sind dabei
B_r(20°) = 1,0...1,5T
k_Br = –0,08...–0,12/°C
Bei der Berechnung der aktuellen Läufertemperatur wird ferner ausgenutzt, dass die Leerlaufspannung U₀(T) der Maschine direkt proportional zur Remanenzflußdichte B_r der Maschine 1 ist. Dabei gilt:
Somit kann die Temperatur T₂ aus der Referenztemperatur T₁ und dem Verhältnis der Leerlaufspannungen U₀(T₂)/U₀(T₁) berechnet werden.
Für k_Br = –0,095/°C ergibt sich z.B.
Vorstehend wurde eine lineare Temperaturabhängigkeit der Remanenzflussdichte B_r(T) angesetzt. Die Temperaturabhängigkeit der Remanenzflussdichte B_r(T) kann wahlweise auch durch eine Exporientialfunktion genauer dargestellt werden. Beispielsweise kann folgender Zusammenhang angesetzt werden:
Die Parameter k1, k2 sind dabei magnetspezifische Größen. Für ein Magnetmaterial aus MdFeB ergibt sich beispielsweise:
Wegen der direkten Proportionalität der Leerlaufspannung U₀(T) zur Remanenzflußdichte B_r(T) gilt wiederum:
Die aktuelle Läufertemperatur T₂ kann somit aus der Referenz-Temperatur T₁ und dem Verhältnis der Leerlaufspannungen U₀(T₂)/U₀(T₁) berechnet werden.
Bei Leerlauf der Drehfeldmaschine 1 kann die Leerlaufspannung U₀(T) der Maschine direkt an den Klemmen K1,K2 gemessen werden. In diesem Fall ist nämlich die Klemmenspannung U gleich der Leerlaufspannung U₀. Die Referenz-Leerlaufspannung U₀(T₁) kann beispielsweise in einer Phase gemessen werden, in der sich der Läufer noch auf Raumtemperatur befindet.
Üblicherweise muss die Leerlaufspannung U₀ jedoch bei Betrieb (bei Belastung) der Drehfeldmaschine ermittelt werden. Da in diesem Fall keine direkte Messung der Leerlaufspannung U₀ (bei Betrieb wird diese auch als Polradspannung bezeichnet) möglich ist, muss die aktuelle Leerlaufspannung U₀(T₂) aus anderen elektrischen Maschinengrößen berechnet werden. Dieser zurückgerechnete Wert für die Leerlaufspannung U₀(T₂) kann dann wiederum mit der Referenz-Polradspannunq bei derselben Drehzahl n und einer vorgegebenen Temperatur T₁ ins Verhältnis gesetzt werden.
Die Leerlauf- bzw. Polradspannung U₀(T₂) kann beispielsweise aus den folgenden allgemeinen Gleichungen für eine Synchronmaschine berechnet werden: Ud = RId – 2πfLIq (9) UQ = PIq + 2πfL Iq + Up (10)wobei U_d die Längsspannung und U_q die Querspannung der Maschine 1 ist. Ferner gilt für die Klemmenspannung U an der Maschine 1: U2 = Ud 2 + Uq 2
Daraus ergibt sich die Leerlauf- bzw. Polradspannung U₀(T₂) zu: Up = U0(T2) = –(RIq + 2πfLId) + √U2 – (R·Id – 2πf·Iq) (11)
Die Leerlaufspannung U₀(T₁) der Maschine 1 bei der Drehzahl n ergibt sich bei einer vorgegebenen Temperatur T1 aus der Magnetflußkonstante U₀/f zu:
Die aktuelle Magnettemperatur bzw. Läufertemperatur T₂ kann somit aus den elektrischen Klemmengrößen I_d,I_q,U mittels der vorstehend genannten Gleichungen (4) und (8) berechnet werden.
Für die Berechnung der Leerlaufspannungen sind gemäß den Gleichungen (11, 12) folgende Maschinengrößen erforderlich: Der ohmsche Strangwiderstand R, die Induktivität des Strangs L, die Magnetflußkonstante U₀/f bei T₁, die Polpaarzahl p, die Drehzahl n, sowie die elektrischen Stromkomponenten I_d und I_q des Phasenstromes (längs- und Querstrom) und die Klemmenspannung U.
Die Größen R, L,U₀/f und p sind physikalisch vorgegeben, und die Drehzahl n kann in einfacher Weise mittels eines Drehzahlmessers 7 gemessen werden. Die elektrischen Maschinengrößen I_d,I_q und U lassen sich relativ einfach, entweder durch Messung an der Drehfeldmaschine 1 oder durch Berechnung bestimmen.
Die Stromkomponenten I_d, I_q des Phasenstromes können beispielsweise aus dem Lagewinkel α (zwischen Läufer und Ständer) und den Phasenströmen (I_u,I_v,I_w) ermittelt werden. Der Lagewinkel a kann dabei mittels einer entsprechenden Winkelmesseinrichtung einfach gemessen werden. Für die Bestimmung der Stromkomponenten I_d und I_c sind wenigstens zwei der Phasenströme (I_u, I_v, I_w) und der Lagewinkel α erforderlich.
Sofern die Lageerfassung zu ungenau ist, um sie für die Berechnung der Läufertemperatur T₂ zu nutzen, können die Stromkomponenten I_d und I_q auch über die Klemmenleistung P_el= U_Z*I_Z der Drehfeldmaschine 1 ermittelt werden, wobei U_Z und I_Z eine auf der Gleichstromseite des Umrichters 2 gemessene Zwischenkreisspannung bzw. ein Zwischenkreisstrom ist.
Wenn eine Drehstrommaschine 1 an einer Batterie angeschlossen ist, kann der Querstrom I_q z.B. wie folgt berechnet werden:
wobei P_Batt die Batterieleistung ist. Aus dem Effektivwert des Klemmenstroms I_eff und dem Querstrom I_q kann auch der Längsstrom I_d ermittelt werden. Id = I2 eff – I2 q.
Die Klemmenspannung U kann beispielsweise aus der Zwischenkreisspannung U_Z eines Pulswechselrichters 2 und einem vorgegebenen Tastverhältnis c wie folgt berechnet werden: U = UZ*c*k
Dabei ist k eine Maschinenkonstante.
Im übersteuerten Betrieb (Feldschwächebereich) wird der Umrichter 2 bei seiner maximalen Ausgangsspannung betrieben. Bei diesem Betrieb ist die Klemmenspannung U direkt proportional zur Zwischenkreisspannung U_Z, wobei gilt: U = k*UZ
Die Drehzahl n kann entweder direkt oder indirekt gemessen oder auf der Grundlage anderer Größen berechnet werden.

1: Drehfeldmaschine
2: Umrichter
3: Auswerteeinheit
4: Widerstand
5: Induktivität
6: Leerlaufspannung
7: Drehzahlsensor
U: Klemmenspannung
K1, K2: Klemmen

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Läufer- bzw. Magnettemperatur einer permanenterregten elektrischen Maschine (1), insbesondere einer Drehfeldmaschine, mit einem im Rotor angeordneten Magnetsystem, dadurch gekennzeichnet, dass die Läufertemperatur (T₂) auf der Grundlage einer aktuellen Leerlaufspannung (U₀(T₂)) und einer Referenz-Leerlaufspannung (U₀(T₁)) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Läufertemperatur (T₂) ein Verhältnis aus der aktuellen Leerlaufspannung (U₀(T₂)) und der Referenzleerlaufspannung (U₀(T₁)) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für die Berechnung der Läufertemperatur (T₂) eine Remanenz (B_r(T)) mit linearer Temperaturabhängigkeit angesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für die Berechnung der Läufertemperatur eine Remanenz (B_r(T)) mit exponentieller Temperaturabhängigkeit angesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuelle Leerlaufspannung (U₀(T₂)) aus dem Quer- (I_q) und dem Längsstrom (I_d) der Drehfeldmaschine (1) berechnet wird.
Anordnung, zur Bestimmung der Läufertemperatur einer permanenterregten Drehfeldmaschine (1), umfassend eine permanenterregte Drehfeldmaschine (1) mit einem im Rotor angeordneten Magnetsystem und eine Auswerteeinheit (3), dadurch gekennzeichnet, dass der Auswerteeinheit (3) vorgegebene Betriebsgrößen der Drehfeldmaschine (1) zugeführt werden und die Auswerteeinheit (3) derart eingerichtet ist, dass sie die Läufertemperatur (T₂) auf der Grundlage einer aktuellen Leerlaufspannung (U₀(T₂)) und einer Referenz-Leerlaufspannung (U₀(T₁)) berechnen kann.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (3) mit einem Umrichter (2) verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Rotor der Drehfeldmaschine (1) kein Temperatursensor zur Bestimmung der Läufertemperatur (T2) vorgesehen ist.