EP4721267A1 - Verfahren zur steuerung einer elektrischen maschine und steuerungssystem - Google Patents

Abstract

Ein Verfahren zur Steuerung einer mehrphasigen elektrischen Maschine (2) mit einem Stator (20) und einem Rotor (21) umfasst: Erfassen (S1) eines Windungskurzschlusses (K) einer Wicklung (201) der elektrischen Maschine (2) und zumindest eines den Windungskurzschluss (K) beschreibenden Parameters; Einstellen (S2) eines Winkels (η) eines Stromvektors zur positiven q-Achse im dq- Koordinatensystem des Rotors (21) mit einem negativen d-Anteil und einem von Null verschiedenen q-Anteil basierend auf dem zumindest einen den Windungskurzschluss (K) beschreibenden Parameter; und Steuern (S3) der elektrischen Maschine (2) gemäß dem eingestellten Winkel (η).

Description

Verfahren zur Steuerung einer elektrischen Maschine und Steuerungssystem

Beschreibung

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren zur Steuerung einer elektrischen Maschine, auf ein Steuerungssystem, auf eine elektrische Maschine mit einem solchen Steuerungssystem und auf ein computerlesbares Speichermedium.

Fahrzeuge, insbesondere Luftfahrzeuge, werden in vielfältigen Ausgestaltungen angetrieben. Verbrennungsmaschinen, beispielsweise in Form von Kolbenmotoren oder Gasturbinentriebwerken, ermöglichen große Reichweiten und hohe Geschwindigkeiten. Antriebe mit einem oder mehreren Elektromotor(en) ermöglichen demgegenüber einen Einsatz von nachhaltig erzeugter Energie und sind mitunter besonders wartungsarm und leise. Fortschritte in der Batterie- und Brennstoffzellentechnologie ermöglichen immer weitere Einsatzbereiche von elektrischen Antrieben.

Bei einem Elektromotor eines elektrischen Antriebs können Wicklungen z.B. um Zähne eines Stators gewickelt sein. Durch Anlegen einer Dreiphasenwechselspannung an die Wicklungen werden magnetische Felder aufgebaut, welche einen z.B. permanenterregten Rotor in eine Bewegung relativ zum Stator versetzen. Wenn z.B. durch Alterungsprozesse, Vibrationen oder äußere Einwirkungen innerhalb einer der Wicklungen zwischen benachbarten Windungen der Wicklung ein Kurzschluss auftritt, können infolge der Rotation des Rotors durch die Magnetfelder des sich drehenden Rotors in der kurzgeschlossenen Windungsschleife sehr große elektrische Ströme induziert werden. Diese Ströme können zu einer starken lokalen Erwärmung führen und im schlimmsten Fall zu einer thermischen Zerstörung des Elektromotors. Nicht nur, aber besonders, bei Luftfahrzeugen, bei denen z.B. permanenterregte Drehfeldmaschinen zum Einsatz kommen, hat dies eine besondere Relevanz. Daher werden typischerweise Elektromotoren so ausgestaltet, dass sie einem Vielfachen der im Normalbetrieb auftretenden Wärmebelastung standhalten können, bis, z.B. durch eine entsprechende Stellung der Rotorblätter und/oder eine Bremse, der Rotor stillsteht. Derartige Maßnahmen führen wiederum jedoch zu einem großen Gewicht und komplexen Aufbau und damit zu einem erhöhten Energiebedarf und einer reduzierten Reichweite. Zudem bedeutet der Ausfall eines Elektromotors in der Regel einen Ausfall eines großen Anteils an Antriebsleistung, sodass zumeist eine größere Anzahl an Elektromotoren vorgesehen wird, z.B. 4, 6 oder 8 Elektromotoren.

P. C. Palavicino beschreibt in „Detection and Compensation of Interturn Short Circuit in Interior Permanent Magnet Synchronous Machines Under Two-Level Voltage Source Inverter Limitations“, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 58, Nr. 6, November/Dezember 2022, verschiedene Punkte der beschriebenen Problematik und die Einstellung eines d-Achsen-Stromes zur Kompensation des magnetischen Flusses infolge der Rotordrehung. Die darin beschriebene Lösung ist jedoch nur eingeschränkt praxistauglich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Ausfallsicherheit einer elektrischen Maschine zu verbessern.

Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Steuerung einer mehrphasigen (z.B. dreiphasigen) elektrischen Maschine mit einem Stator und einem Rotor angegeben. Das Verfahren umfasst: Erfassen eines Windungskurzschlusses einer Wicklung der elektrischen Maschine und zumindest eines den Windungskurzschluss beschreibenden Parameters; Einstellen eines Winkels des Stromvektors (zur positiven q-Achse) im dq-Koordinatensystem des Rotors mit einem negativen d-Anteil und einem von Null verschiedenen q-Anteil basierend auf dem zumindest einen den Windungskurzschluss beschreibenden Parameter; und Steuern der elektrischen Maschine gemäß dem eingestellten Winkel des Stromvektors (zur positiven q-Achse).

Indem der Winkel des Stromvektors zur positiven q-Achse und damit das Verhältnis der d- und q-Anteile im dq-Koordinatensystem des Rotors dynamisch an den auftretenden Fehler angepasst werden, ist es möglich, die verbleibenden Ströme durch die kurzgeschlossene Leiterschleife zu minimieren. Dadurch kann die thermische Belastung selbst im Kurzschlussfall reduziert werden. In der Folge kann die elektrische Maschine, bei der es sich z.B. um einen Elektromotor handelt, besonders einfach und mit reduziertem Gesamtgewicht aufgebaut werden.

Bekanntermaßen wird ein Mehrphasensystem durch eine Anzahl von n Koordinaten beschrieben. Beispielsweise wird ein Dreiphasensystem durch drei Koordinaten U, V und W beschrieben, die jeweils um einen Winkel von 120° versetzt sind. Durch die diesen n (z.B. drei) Koordinaten entsprechenden Wicklungen fließende Ströme sind bei einem symmetrischen Mehrphasensystem (z.B. Dreiphasensystem) in der Summe 0. Durch eine dq-Transformation wird das dq-Koordinatensystem mit aufeinander rechtwinkelig stehenden Achsen d und q mit dem Rotor mitrotiert. Auf diese Weise ist es möglich, das Drehfeld bei einer konstanten Drehzahl durch die zwei zeitlich konstanten Größen d und q beschrieben werden. Der Wert d bildet die magnetische Flussdichte der magnetischen Erregung im Rotor ab. Der Wert q beschreibt das vom Rotor erzeugte Drehmoment. Zeitliche Änderungen (z.B. der Drehzahl und/oder des Drehmoments) resultieren in zeitlichen Änderungen des d-Anteils und/oder des q- Anteils. Ein Vorteil der dq-Transformation besteht darin, dass Drehfeldmaschinen mit einem PI-Regler geregelt werden können.

Indem der Winkel des Stromvektors zur positiven q-Achse mit einem negativen d- Anteil eingestellt wird, wird ein durch die Erregung des Rotors erzeugter magnetsicher Fluss kompensiert. Indem ein von Null verschiedener q-Anteil eingestellt wird, kann trotz des Kurzschlusses noch ein Drehmoment erzeugt werden.

Optional wird der Winkel des Stromvektors zur positiven q-Achse in einem vorab bestimmten Winkelbereich, z.B. im Bereich von 30° bis 85°, insbesondere im Bereich von 40° bis 80°, eingestellt. Es hat sich gezeigt, dass je nach Anwendungsfall in bestimmten, jeweils vorab festlegbaren, Bereichen, z.B. in den genannten Bereichen, in den meisten Fällen von Windungskurzschlüssen die stärkste Reduktion des Stromes in der kurzgeschlossenen Leiterschleife möglich ist. Zum Beispiel kann ein negativer, von Null verschiedener q-Anteil vorgegeben sein.

Die elektrische Maschine kann mehrere (z.B. 2, 3 oder 4) elektrisch voneinander getrennte Wicklungssysteme umfassen (die auch als Lanes bezeichnet werden können). Jedes der Wicklungssysteme kann jeweils Wicklungen für n (z.B. drei) elektrische Phasen aufweisen. Bei dem Erfassen des Windungskurzschlusses kann erfasst werden, in welchem der Wicklungssysteme der Windungskurzschluss aufgetreten ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass bei dem Steuern der elektrischen Maschine (insbesondere nur) das Wicklungssystem mit dem Windungskurzschluss gemäß dem eingestellten Winkel gesteuert wird. So können die übrigen Wicklungssysteme bei voller oder annähernd voller Leistung weiterbetrieben werden.

Der Winkel des Stromvektors zur positiven q-Achse wird optional basierend auf elektrischen Strömen (und damit magnetischen Feldern) der Wicklungssysteme, in denen der Windungskurzschluss nicht aufgetreten ist, eingestellt. Da sich die einzelnen Wicklungssysteme gegenseitig beeinflussen, können auch die Ströme in den anderen Wicklungssysteme die Ströme in der kurzgeschlossenen Leiterschlaufe induzieren und umgekehrt. Die defekte Wicklung kann beispielsweise so bestromt werden, dass auch die Induktion durch die anderen Wicklungssysteme zumindest teilweise kompensiert wird.

Der zumindest eine den Windungskurzschlusses beschreibende Parameter kann eine Charakteristik, z.B. einen Ort des Windungskurzschlusses innerhalb einer Wicklung umfassen, beispielsweise in Form einer Identifikation, z.B. Nummer, einer Windung. Für jeden möglichen Ort eines Windungskurzschlusses kann ein entsprechender Winkel des Stromvektors zur positiven q-Achse (oder eine Abhängigkeit des Winkels von einem oder mehreren anderen Parametern) hinterlegt sein. Dies basiert auf der Erkenntnis, dass der optimale Winkel des Stromvektors zur positiven q-Achse für unterschiedliche Orte stark verschieden sein kann. So kann für jeden möglichen Ort des Windungskurzschlusses ein individuell optimierter Winkel eingestellt werden.

Optional wird mittels zumindest einem Sensor die Charakteristik, z.B. der Ort des Windungskurzschlusses bestimmt, z.B. mittels einem oder mehreren Hall-Sensoren, einer oder mehreren Spulen oder dergleichen. Ferner können Betriebsparameter eines die Wicklung bestromenden Wechselrichters ausgewertet werden.

Der Winkel des Stromvektors zur positiven q-Achse kann unter Verwendung einer Look-Up-Tabelle eingestellt werden. So kann in einfacher Weise und besonders schnell reagiert werden.

Der zumindest eine den Windungskurzschlusses beschreibende Parameter kann einen Restwiderstand des Windungskurzschlusses umfassen. Je nachdem, ob der Kurzschluss einen Widerstand von nahezu 0 0 aufweist oder von beispielsweise 10 m Q, kann der optimale Winkel des Stromvektors zur positiven q-Achse stark unterschiedlich ausfallen.

Beispielsweise wird im Schritt des Einstellens des Winkels des Stromvektors zur positiven q-Achse bei einem größeren Restwiderstand ein kleinerer Winkel eingestellt als bei einem kleineren Restwiderstand. So können besonders gut geeignete Winkel ermittelt werden.

Optional wird mittels zumindest einem Sensor der Restwiderstand des Windungskurzschlusses ermittelt, z.B. gemessen. Beispielsweise werden an mehreren Stellen Spannungen gemessen. Durch eine Änderung eines Spannungsabfalls infolge eines Windungskurzschlusses kann z.B. mit einer durch den Wechselrichter bekannten Stromstärke auf des Restwiderstand geschlossen werden.

Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Steuerung einer mehrphasigen, z.B. dreiphasigen, elektrischen Maschine mit einem Stator und einem Rotor angegeben, insbesondere zur Flusskompensation im Falle eines Windungskurzschlusses. Das Verfahren kann nach einer beliebigen, vorstehend beschriebenen Ausgestaltung ausgeführt werden. Das Verfahren umfasst das Erfassen eines Windungskurzschlusses einer Wicklung der elektrischen Maschine und zumindest eines den Windungskurzschluss beschreibenden Parameters; das Einstellen eines negativen d-Anteils und/oder eines von Null verschiedenen q-Anteils im dq- Koordinatensystem des Rotors basierend auf dem zumindest einen den Windungskurzschluss beschreibenden Parameter; und das Steuern der elektrischen Maschine gemäß den eingestellten d- und q-Anteilen im dq-Koordinatensystem. Hinsichtlich der Vorteile wird auf die obigen Angaben Bezug genommen.

Gemäß einem Aspekt wird ein Steuerungssystem zur Steuerung einer mehrphasigen, z.B. dreiphasigen, elektrischen Maschine mit einem Stator und einem Rotor angegeben, wobei das Steuerungssystem zur Durchführung des Verfahrens nach einem beliebigen hierin beschriebenen Aspekt in einer beliebigen, hierin beschriebenen Ausgestaltung eigerichtet ist.

Gemäß einem Aspekt wird eine elektrische Maschine bereitgestellt. Die elektrische Maschine umfasst das Steuerungssystem nach einer beliebigen, hierin beschriebenen Ausgestaltung. Die elektrische Maschine umfasst ferner einen Stator und einen relativ zum Stator drehbaren Rotor. Der Stator ist z.B. drehfest bezüglich einer die elektrische Maschine tragenden Lagerung angeordnet.

Die elektrische Maschine kann mehrere elektrisch voneinander getrennte Wicklungssysteme umfassen, wobei jedes der Wicklungssysteme jeweils Wicklungen für n, z.B. drei, elektrische Phasen aufweist.

Gemäß einem Aspekt wird ein Fahrzeug, insbesondere ein Luftfahrzeug, bereitgestellt, umfassend die elektrische Maschine nach einer beliebigen, hierin beschriebenen Ausgestaltung, insbesondere zum Antrieb einer Schub erzeugenden Vorrichtung, z.B. eines Propellers. Das Fahrzeug, insbesondere Luftfahrzeug, umfasst z.B. eine durch die elektrische Maschine antreibbare Rotoreinheit. Die Vorteile der hierin beschriebenen elektrischen Maschine und dessen Steuerungssystems kommen bei einem Fahrzeug, insbesondere bei einem Luftfahrzeug, besonders zum Tragen.

Gemäß einem Aspekt wird ein computerlesbares Speichermedium bereitgestellt, umfassend Anweisungen, die, wenn Sie durch eine Prozessoranordnung (z.B. des Steuerungssystems) ausgeführt werden, die Prozessoranordnung (und/oder das Steuerungssystem) dazu veranlassen, das Verfahren nach einem beliebigen hierin beschriebenen Aspekt in einer beliebigen, hierin beschriebenen Ausgestaltung durchzuführen.

Es werden nun beispielhaft Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren beschrieben; in den Figuren zeigen:

Figur 1 ein Luftfahrzeug in Form eines Flugzeugs mit einer elektrischen

Maschine und einem dadurch angetriebenen Propeller;

Figur 2 eine schematische Schnittdarstellung eines grundlegenden

Aufbaus einer permanenterregten, mehrphasigen, hier beispielhaft dreiphasigen elektrischen Maschine als Innenläufer;

Figur 3 ein dq-Diagramm, in dem ein beispielhafter Winkel des

Stromvektors zur positiven q-Achse mit einem von Null verschiedenen q-Anteil eingezeichnet ist;

Figur 4 eine schematische Schnittdarstellung eines Zahns eines Stators der elektrischen Maschine gemäß Figur 2 mit einem Windungskurzschluss zwischen zwei benachbarten Windungen;

Figuren 5 bis 7 Diagramme, in welchen relative Stromstärken in Abhängigkeit von einem eingestellten Winkel des Stromvektors zur positiven q-Achse im Falle des Windungskurzschlusses gemäß Figur 4 aufgetragen sind;

Figur 8 eine schematische Schnittdarstellung eines Zahns eines Stators der elektrischen Maschine gemäß Figur 2 mit einem Windungskurzschluss zwischen zwei anderen benachbarten Windungen als in Figur 4;

Figuren 9 bis 11 Diagramme, in welchen relative Stromstärken in Abhängigkeit von einem eingestellten Winkel des Stromvektors zur positiven q-Achse im Falle des Windungskurzschlusses gemäß Figur 8 aufgetragen sind; und

Figur 12 ein Verfahren zur Steuerung einer mehrphasigen, hier beispielhaft dreiphasigen elektrischen Maschine.

Figur 1 zeigt ein Luftfahrzeug 3 in Form eines elektrisch angetriebenen Flugzeugs. Das Luftfahrzeug 3 umfasst eine Rotoreinheit 30, hier in Form eines Propellers, mit mehreren Rotorblättern 300, der durch eine elektrische Maschine 2 angetrieben ist. Das beispielhafte Luftfahrzeug 3 umfasst einen Rumpf 31 und Flügel 32.

Das Luftfahrzeug 3 umfasst ferner eine Energiequelle, hier in Form eines elektrischen Batteriesystems 33. Alternativ oder zusätzlich kann das Luftfahrzeug 3 eine Brennstoffzelle und/oder einen Generator umfassen. Die elektrische Maschine 2 wird durch die Energiequelle mit Energie versorgt, wobei die Energiequelle elektrisch an einen Wechselrichtersystem 22 angeschlossen ist, welcher wiederum die elektrische Energie an die elektrische Maschine bereitstellt.

Ferner umfasst die elektrische Maschine des Luftfahrzeugs 3 ein Steuerungssystem 1 , welches das Wechselrichtersystem 22 und damit die elektrische Maschine 2 steuert.

Figur 2 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung die rotierende elektrische Maschine 2 des Luftfahrzeugs 3, die hier in Form einer permanenterregten Synchronmaschine ausgebildet ist. Aus Figur 2 ist ersichtlich, dass die elektrische Maschine 2 vorliegend als Innenläufer ausgebildet ist. Die elektrische Maschine 2 umfasst einen Stator 20, der eine nicht bezeichnete Öffnung, insbesondere Durchgangsöffnung, aufweist, in der ein Rotor 21 drehbar gelagert angeordnet ist.

Der Stator 20 umfasst einen Körper, hier in Form eines Blechpakets, an welchem Zähne 203 festgelegt sind, die auch als Statorzähne bezeichnet werden können. Die Zähne 203 sind auf einen Luftspalt L zwischen dem Körper 10 des Ständers 21 und dem Rotor 21 ausgerichtet. Die Zähne 203 stehen radial vom Körper ab, vorliegend radial nach innen.

Der Stator 20 weist mehrere Wicklungssysteme 200A-200D auf. Die Wicklungssysteme 200A-200D sind elektrisch voneinander getrennt. Jedes der Wicklungssysteme 200A-200D weist jeweils Wicklungen 201 für drei elektrische Phasen U, V, W auf. Die einzelnen Wicklungssysteme 200A-200Dsind hier zur vereinfachten Darstellung nur schematisch veranschaulicht. Elektrische Leiter der Wicklungssysteme 200A-200D sind in Form von Wicklungen 201 um die Zähne 203 des Stators 20 gewickelt.

Jedes der Wicklungssysteme 200A-200D ist für einen dreiphasigen Betrieb ausgebildet, das heißt, an eine dreiphasige Wechselspannung mit Phasen U, V, W angeschlossen. Im bestimmungsgemäßen Betrieb der elektrischen Maschine 2 sind die Wicklungssysteme 200A-200D entsprechend mit der Wechselspannung beaufschlagt.

Der Rotor 21 ist vorliegend beispielhaft als Schenkelpolläufer ausgebildet, der zur Bereitstellung des magnetischen Flusses Permanentmagnete umfasst. In der vorliegenden Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Rotor 21 genau einen magnetischen Nordpol N und einen magnetischen Südpol S aufweist. Bei alternativen Ausgestaltungen können auch mehr magnetische Pole in Umfangsrichtung quer zu einer Drehachse des Rotors 21 (relativ zum Stator 20) alternierend vorgesehen sein.

Der Rotor 21 ist drehbar gelagert. Durch die dreiphasige Wechselspannung, deren Phasen U, V, W um jeweils 120° phasenverschoben sind, wird ein magnetisches Drehfeld im bestimmungsgemäßen Betrieb erzeugt, welches mit dem durch den Rotor 21 bereitgestellten permanenterregten Magnetfeld zusammenwirkt, sodass in einem Motorbetrieb eine entsprechende Drehbewegung des Rotors 21 gegenüber dem Stator 20 herbeigeführt werden kann. Vorliegend ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine 2 als Antriebsmotor für Rotoreinheit 30 des Luftfahrzeugs 3 dient. In Figur 2 sind schematisch die Abschnitte der Wicklungssysteme 200A-200D dargestellt, die den jeweiligen Phasen U, V, W zugeordnet sind.

Jedes der Wicklungssysteme 200A-200D der elektrischen Maschine 2 ist an einen dreiphasig ausgebildeten Wechselrichter 220 des Wechselrichtersystems 22 angeschlossen. Der jeweilige Wechselrichter 220 stellt die elektrische Wechselspannung mit den drei Phasen U, V, W für das entsprechende Wicklungssystem 200A-200D bereit. Die Wechselrichter 220 beziehen die für den bestimmungsgemäßen Betrieb erforderliche elektrische Energie aus der an das Wechselrichtersystem 22 angeschlossenen Energiequelle, hier in Form des Batteriesystems 33. Jeder der Wechselrichter 220 weist für die Bereitstellung der Phasen U, V, W zugeordnete Wechselrichtereinheiten auf. Dabei weist jede Wechselrichtereinheit eine Halbbrückenschaltung auf. Die jeweilige Halbbrückenschaltung weist eine Reihenschaltung aus zwei elektronischen Schaltelementen (z.B. Transistoren) auf, die an eine Zwischenkreisgleichspannung des Wechselrichters 220 angeschlossen sind. Die elektronischen Schaltelemente werden in einem Taktbetrieb betrieben, der zum Beispiel Taktmuster nach Art eines PWM-Signals bereitstellt. An einem jeweiligen Mittelabgriff der Halbbrückenschaltungen steht dann die entsprechende Phase U, V, W der dreiphasigen Wechselspannung zur Verfügung. Durch die Induktivität der Wicklungen 201 erfolgt eine entsprechende Filterung, sodass sich für jede der Phasen U, V, W ein entsprechender Wechselstrom einstellt, der bei geeigneter Steuerung der Wechselrichtereinheiten nahezu sinusförmig ausgebildet sein kann.

Die einzelnen Wechselrichter 220 sind voneinander unabhängig. Bei einem Ausfall von einem der Wicklungssysteme 200A-200D oder einem der Wechselrichter 220 können die anderen der Wechselrichter 200 und Wicklungssysteme 200A-200D weiterbetrieben werden.

Das Steuerungssystem 1 ist kommunikativ mit dem Wechselrichtersystem 22 verbunden. Das Steuerungssystem 1 regelt die Wechselrichter 220 des Wechselrichtersystems 22. Die Regelung erfolgt dabei vorliegend jeweils unter Verwendung des rotorfesten dq-Koordinatensystems.

Bei einem Windungskurzschluss, bei dem benachbarte Windungen innerhalb einer Wicklung 201 z.B. infolge einer defekten Isolation miteinander kurzgeschlossen werden, kann selbst bei abgeschalteter Bestromung des betroffenen Wicklungssystems 200A-200D durch den (zumindest noch für einen bestimmten Zeitraum) weiter rotierenden Rotor 21 ein sehr großer Strom in der kurgeschlossenen Leiterschlaufe induziert werden. Dieser könnte zu einer hohen thermischen Belastung und dadurch zu Folgeschäden führen. Zur Kompensation des durch den Rotor 21 bewirkten magnetischen Flusses ist das Steuerungssystem 1 dazu eingerichtet, einen Windungskurzschlusses einer Wicklung 201 der elektrischen Maschine 2 zu erfassen. Ferner ist das Steuerungssystem 1 dazu eingerichtet, zumindest einen den Windungskurzschluss beschreibenden Parameter zu erfassen. Weiter ist das Steuerungssystem 1 dazu eingerichtet, in Reaktion auf das Erfassen des Windungskurzschlusses einen negativen d-Anteil und/oder einen von Null verschiedenen q-Anteil im dq-Koordinatensystem des Rotors 21 basierend auf dem zumindest einen den Windungskurzschluss beschreibenden Parameter einzustellen. Insbesondere ist das Steuerungssystem des beschriebenen Beispiels dazu eingerichtet, einen Winkel q des Stromvektors zur positiven q-Achse im dq- Koordinatensystem des Rotors 21 mit einem negativen d-Anteil und einem von Null verschiedenen q-Anteil basierend auf dem zumindest einen den Windungskurzschluss beschreibenden Parameter einzustellen. Ferner ist das Steuerungssystem 1 dazu eingerichtet, die elektrische Maschine 2, insbesondere durch Regelung der Wechselrichter 220, gemäß dem eingestellten Winkel q zu steuern.

So kann der durch den rotierenden Rotor 21 bewirkte magnetische Fluss kompensiert werden, sodass in der kurzgeschlossenen Leiterschlaufe nur noch ein wesentlich geringerer Strom fließt.

Das Steuerungssystem umfasst eine Prozessoranordnung 11 und ein Speichermedium 10, auf welchem Anweisungen gespeichert sind, die, wenn Sie durch die Prozessoranordnung 11 ausgeführt werden, die Prozessoranordnung 11 und das Steuerungssystem 1 dazu veranlassen, ein entsprechendes Verfahren durchzuführen.

Figur 3 veranschaulicht das dq-Koordinatensystem Darin ist ein Stromvektor I eingezeichnet, welcher sowohl einen positiven, von Null verschiedenen q-Anteil aufweist, als auch einen negativen, von Null verschiedenen d-Anteil. Aus der Größe dieser beiden Anteile folgt der Winkel q, welcher dem Winkel des Stromvektors I zur positiven q-Achse entspricht. Die genaue Einstellung dieses Winkels q des Stromvektors zur positiven q-Achse für die Regelung der Wechselrichter 220 erlaubt eine besonders effektive Flusskompensation, wie im Folgenden noch näher erläutert werden wird.

Figur 4 zeigt einen Abschnitt des Stators 20 mit einem der Zähne 203. Um den Zahn 203 ist eine Wicklung 201 gewickelt. Die Wicklung 201 umfasst hier beispielhaft nur einen Leiter von einem der Wicklungssysteme 200A-200D, konkret von einer Phase, kann alternativ aber auch Leiter von mehreren der Wicklungssysteme 200A-200D umfassen. Die Wicklung 201 umfasst eine Vielzahl von Windungen, darunter mehrere intakte Windungen 202A. Zwischen zwei weiteren Windungen 202B, 202C liegt jedoch ein Windungskurzschluss K vor. Durch den Windungskurzschluss K sind die Windungen 202B, 202C miteinander kurzgeschlossen. Hierdurch liegt eine in sich geschlossene Schlaufe des die Windungen 202B, 202C bildenden Leiters vor.

Im Beispiel der Figur 4 ist der Windungskurzschluss K benachbart zu einem dem Rotor 21 zugewandten Ende des Zahns 203 ausgebildet.

Figur 5 zeigt den infolge der Rotation des Rotors 21 in der kurzgeschlossenen Leiterschlaufe induzierten Strom IITSC (normiert auf den Nominalstrom der Wicklung Inom bei einem Normalbetrieb der elektrischen Maschine 2) gegen den Winkel q des Stromvektors zur positiven q-Achse von 0 bis 90 Grad. Die Abkürzung ITSC steht dabei für „Inter-Turn Short Circuit“. Hierbei zeigt die Figur 5 vier verschiedene Kurven, von denen die beiden oberen zur verbesserten Darstellung auch separat in Figur 6 dargestellt sind, die beiden unteren auch separat in Figur 7. Alle vier Kurven sind das Ergebnis von Simulationen und veranschaulichen die Abhängigkeit des optimalen Winkels q von einem den Windungskurzschluss K beschreibenden Parameter, nämlich hier dem Restwiderstand des Windungskurzschlusses K.

Die beiden in Figur 5 oberen und in Figur 6 separat gezeigten Kurven entsprechen einem perfekten Windungskurzschluss K am in Figur 4 veranschaulichten Ort, welcher einen Restwiderstand von 0 0 aufweist. Die beiden unteren und separat in Figur 7 gezeigten Kurven entsprechen einem Windungskurzschluss K am in Figur 4 veranschaulichten Ort, welcher einen Restwiderstand von 10 mO aufweist.

Ersichtlich führt ein geringerer Restwiderstand erwartungsgemäß zu einem größeren induzierten Strom IITSC, bemerkenswert ist jedoch die starke Abhängigkeit der induzierten Ströme IITSC vom Winkel q des Stromvektors zur positiven q-Achse. So weisen sämtliche der Kurven ein Minimum auf, bei welchem der induzierte Strom IITSC an einem entsprechenden Winkel q minimal ist. Dieser dem minimalen induzierten Strom IITSC entsprechende Winkel q kann als optimaler Winkel q des Stromvektors zur positiven q-Achse bezeichnet werden, weil mit diesem die beste Reduzierung des Stroms in der kurzgeschlossenen Leiterschlaufe möglich ist. Bei den beiden In Figur 5 oberen Kurven (besser erkennbar in Figur 6) liegt der optimale Winkel q im Bereich von 80°. Demgegenüber liegt der optimale Winkel q bei den beiden in Figur 5 unteren Kurven (besser erkennbar in Figur 7) zwischen 40° und 50°. Daher ist das Steuerungssystem 1 dazu ausgebildet, bei einem größeren Restwiderstand einen kleineren Winkel q einzustellen als bei einem kleineren Restwiderstand.

Die im Bereich von 50° oberste Kurve in Figur 5 entspricht einer zur Kompensation des Rotorflusses eingesetzten Stromstärke Imitigation durch die Wicklung 203 mit dem Windungskurzschluss K mit einem Betrag gleich dem Nominalstrom. Eine stärkere Reduzierung des Stroms in der kurzgeschlossenen Leiterschlaufe ermöglicht eine größere Stromstärke, wie die im Bereich von 50° zweite Kurve von oben veranschaulicht. Diese entspricht einer zur Kompensation des Rotorflusses eingesetzten Stromstärke Imitigation durch die Wicklung 203 mit dem Windungskurzschluss K mit einem Betrag vom Zweifachen des Nominalstroms. Die beiden in Figur 5 unteren Kurven entsprechen ebenfalls jeweils einer zur Kompensation des Rotorflusses eingesetzten Stromstärke Imitigation durch die Wicklung 203 mit dem Windungskurzschluss K mit einem Betrag gleich dem Nominalstrom (oben) und einer zur Kompensation des Rotorflusses eingesetzten Stromstärke Imitigation durch die Wicklung 203 mit dem Windungskurzschluss K mit einem Betrag vom Zweifachen des Nominalstroms (unten).

Indem also der Restwiderstand durch das Steuerungssystem 1 gemessen wird, z.B. mittels zumindest eines Sensors 12A, 12B (siehe Figur 2, z.B. in der bereits beschriebenen Weise) und/oder anhand von Betriebsdaten des entsprechenden Wechselrichters 220, kann anhand der bekannten Abhängigkeit hiervon der optimale Winkel q des Stromvektors zur positiven q-Achse ermittelt und eingestellt werden.

Alternativ oder zusätzlich kann auch die zur Kompensation des Rotorflusses einsetzbare Stromstärke Imitigation herangezogen werden, um den optimalen Winkel q des Stromvektors zum positiven Teil der q-Achse zu ermitteln. Die Figuren 5 bis 7 zeigen lediglich beispielhaft vier verschiedene mögliche Fälle. Das Steuerungssystem 1 kann wesentlich mehr Werte für mögliche Restwiderstände und/oder einsetzbare Stromstärken speichern. Optional umfasst das Steuerungssystem 1 eine Look-Up- Table, in welcher das Steuerungssystem 1 die zu jedem Satz an Werten (z.B. Restwiderstand, einsetzbare Stromstärke und/oder Ort) einen optimalen Winkel q angibt. Optional kann das Steuerungssystem 1 bei einem zwischen zwei Werten liegenden aktuellen Wert zwischen den jeweiligen Winkel q interpolieren.

Figur 8 zeigt den Abschnitt des Stators 20 entsprechend Figur 4, wobei hier jedoch der Windungskurzschluss K an einem anderen Ort aufgetreten ist, nämlich zwischen einer Windung 202D und einer Windung 202E. Die Windungen 202D und 202E sind benachbart zu einem vom Rotor 21 abgewandten Ende des Zahns 203 angeordnet. Die Figuren 9 bis 11 entsprechen wieder den Figuren 5 bis 7, wurden lediglich für den Ort gemäß Figur 8 berechnet. Im Vergleich der Figuren 5 bis 7 mit den Figuren 9 bis 11 sind wesentliche Unterschiede bei den Minima der Kurven und damit den jeweiligen optimalen Winkeln q ersichtlich. Diese liegen hier bei größeren Werten des Winkels q.

Der zumindest eine den Windungskurzschlusses K beschreibende Parameter umfasst vorliegend somit auch den Ort des Windungskurzschlusses K innerhalb der Wicklung 201. Der der Ort des Windungskurzschlusses K wird z.B. mittels zumindest eines Sensors 12A, 12B (siehe Figur 2, z.B. in der bereits beschriebenen Weise) und/oder anhand von Betriebsdaten des entsprechenden Wechselrichters 220 ermittelt werden. Nachdem der Ort ermittelt worden ist, kann das Steuerungssystem 1 den für diesen Ort (und optional den gemessenen Restwiderstand und/oder die ermittelte zur Kompensation des Rotorflusses einsetzbare Stromstärke Imitigation) optimalen Winkel q bestimmen und einstellen. Der Winkel q wird beispielsweise im Bereich von 30° bis 85°, insbesondere im Bereich von 40° bis 80°, eingestellt. Die bereits erwähnte Look- Up-Table kann auch den Ort umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann das Steuerungssystem 1 ein Maschinenlernmodell umfassen. Dieses kann mit Trainingsdaten entsprechend den Figuren 5-7 und 9-11 trainiert sein und so für eingegebene Messwerte (z.B. in Bezug auf Restwiderstand und/oder Ort) den optimalen Winkel q ausgeben. Ferner kann auch ein Statorfluss gemessen und durch Regelung durch das Steuerungssystem 1 minimiert werden.

Somit kann ein spezifisch für den aufgetretenen Fehler optimierter Winkel q des Stromvektors zur positiven q-Achse ermittelt und eingestellt werden. Optional wird der Winkel q dynamisch angepasst, insbesondere während der Flusskompensation mehrmals, insbesondere laufend aktualisiert, da sich z.B. der Restwiderstand zeitlich ändern kann.

Bei dem Erfassen des Windungskurzschlusses K wird ferner durch das Steuerungssystem 1 erfasst, in welchem der Wicklungssysteme 200A-200D der Windungskurzschluss K aufgetreten ist. Bei dem Steuern der elektrischen Maschine 2 wird das Wicklungssystem 200A-200D mit dem Windungskurzschluss K gemäß dem eingestellten Winkel q gesteuert. Optional wird der Winkel q basierend auf den elektrischen Strömen der Wicklungssysteme 200A-200D, in denen der Windungskurzschluss K nicht aufgetreten ist, eingestellt.

Figur 12 zeigt ein Verfahren zur Steuerung einer dreiphasigen elektrischen Maschine 2 mit einem Stator 20 und einem Rotor 21 , nämlich zur Kompensation eines im Falle eines Windungskurzschlusses induzierten Stroms. Das Verfahren umfasst die Folgenden Schritte:

Schritt S1 : Erfassen eines Windungskurzschlusses K einer Wicklung 201 der elektrischen Maschine 2 und zumindest eines den Windungskurzschluss K beschreibenden Parameters.

Schritt S2: Einstellen eines Winkels q des Stromvektors zur positiven q-Achse im dq- Koordinatensystem des Rotors 21 mit einem negativen d-Anteil und einem von Null verschiedenen q-Anteil basierend auf dem zumindest einen den Windungskurzschluss K beschreibenden Parameter, und/oder Einstellen S2 eines negativen d-Anteils und/oder eines von Null verschiedenen q-Anteils im dq-Koordinatensystem des Rotors 21 basierend auf dem zumindest einen den Windungskurzschluss K beschreibenden Parameter.

Schritt S3: Steuern der elektrischen Maschine 2 gemäß dem eingestellten Winkel q (und/oder gemäß des eingestellten d-Anteils und/oder des eingestellten q-Anteils im dq-Koordinatensystem).

Die beschriebene feldorientierte Regelung erlaubt somit eine besonders effektive Kompensation des induzierten Stroms im Fehlerfall und damit eine erhöhte Ausfallsicherheit.

Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den hier beschriebenen Konzepten abzuweichen. Beliebige der Merkmale können separat oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen, und die Offenbarung dehnt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen eines oder mehrerer Merkmale, die hier beschrieben werden, aus und umfasst diese.

Bezugszeichenliste

1 Steuerungssystem

10 Speichermedium

11 Prozessoranordnung

12A, 12B Sensor

2 elektrische Maschine

20 Stator

200A-200D Wicklungssystem

201 Wicklung

202A-202E Windung

203 Zahn

21 Rotor

22 Wechselrichtersystem

220 Wechselrichter

3 Luftfahrzeug

30 Rotoreinheit

300 Rotorblatt

31 Rumpf

32 Flügel

33 Batteriesystem

K Windungskurzschluss

L Luftspalt

N Nordpol

S Südpol

U, V, W Phase q Winkel des Stromvektors zur positiven q-Achse

Claims

Ansprüche

1. Verfahren zur Steuerung einer mehrphasigen elektrischen Maschine (2) mit einem Stator (20) und einem Rotor (21 ), das Verfahren umfassend:

Erfassen (S1 ) eines Windungskurzschlusses (K) einer Wicklung (201 ) der elektrischen Maschine (2) und zumindest eines den Windungskurzschluss (K) beschreibenden Parameters;

Einstellen (S2) eines Winkels (q) eines Stromvektors zur positiven q-Achse im dq-Koordinatensystem des Rotors (21 ) mit einem negativen d-Anteil und einem von Null verschiedenen q-Anteil basierend auf dem zumindest einen den Windungskurzschluss (K) beschreibenden Parameter; und

Steuern (S3) der elektrischen Maschine (2) gemäß dem eingestellten Winkel (n).

2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der Winkel (q) in einem vorbestimmten Bereich, insbesondere im Bereich von 30° bis 85°, insbesondere im Bereich von 40° bis 80°, eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die elektrische Maschine (2) mehrere elektrisch voneinander getrennte Wicklungssysteme (200A-200D) umfasst und jedes der Wicklungssysteme (200A-200D) jeweils Wicklungen (201 ) für mehrere, insbesondere drei, elektrische Phasen (U, V, W) aufweist, wobei bei dem Erfassen des Windungskurzschlusses (K) erfasst wird, in welchem der Wicklungssysteme (200A-200D) der Windungskurzschluss (K) aufgetreten ist, und wobei bei dem Steuern der elektrischen Maschine (2) das Wicklungssystem (200A-200D) mit dem Windungskurzschluss (K) gemäß dem eingestellten Winkel (q) gesteuert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Winkel (q) basierend auf elektrischen Strömen der Wicklungssysteme (200A-200D), in denen der Windungskurzschluss (K) nicht aufgetreten ist, eingestellt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine den Windungskurzschlusses (K) beschreibende Parameter einen Ort des Windungskurzschlusses (K) innerhalb einer Wicklung (201 ) umfasst.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels zumindest einem Sensor (12A, 12B) eine Charakteristik des Windungskurzschlusses (K) bestimmt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Winkel (q) unter Verwendung einer Look-Up-Tabelle eingestellt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine den Windungskurzschlusses (K) beschreibende Parameter einen Restwiderstand des Windungskurzschlusses (K) umfasst.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei im Schritt des Einstellens des Winkels (q) bei einem größeren Restwiderstand ein kleinerer Winkel (q) eingestellt wird als bei einem kleineren Restwiderstand.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei mittels zumindest einem Sensor (12A, 12B) der Restwiderstand des Windungskurzschlusses (K) gemessen wird.

11. Verfahren zur Steuerung einer mehrphasigen elektrischen Maschine (2) mit einem Stator (20) und einem Rotor (21 ), das Verfahren umfassend:

Erfassen (S1 ) eines Windungskurzschlusses (K) einer Wicklung (201 ) der elektrischen Maschine (2) und zumindest eines den Windungskurzschluss (K) beschreibenden Parameters;

Einstellen (S2) eines negativen d-Anteils und/oder eines von Null verschiedenen q-Anteils im dq-Koordinatensystem des Rotors (21 ) basierend auf dem zumindest einen den Windungskurzschluss (K) beschreibenden Parameter; und

Steuern (S3) der elektrischen Maschine (2) gemäß des eingestellten d- Anteils und/oder des eingestellten q-Anteils im dq-Koordinatensystem.

12. Steuerungssystem (1 ) zur Steuerung einer mehrphasigen elektrischen Maschine (2) mit einem Stator (20) und einem Rotor (21 ), wobei das Steuerungssystem (22) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eigerichtet ist.

13. Elektrische Maschine (2), umfassend einen Stator (20), einem Rotor (21 ) und das Steuerungssystem (1 ) nach Anspruch 12.

14. Elektrische Maschine (2) nach Anspruch 13, umfassend mehrere elektrisch voneinander getrennte Wicklungssysteme (200A-200D), wobei jedes der Wicklungssysteme (200A-200D) jeweils Wicklungen (201 ) für mehrere elektrische Phasen (U, V, W) aufweist.

15. Luftfahrzeug (3) umfassend die elektrische Maschine (2) nach Anspruch 13 oder 14 und eine durch die elektrische Maschine (2) antreibbare Rotoreinheit (30).

16. Computerlesbares Speichermedium (10) umfassend Anweisungen, die, wenn Sie durch eine Prozessoranordnung (11 ) ausgeführt werden, die Prozessoranordnung (11 ) dazu veranlassen, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 durchzuführen.