WO2015014362A1 - Verfahren zur bestimmung eines fehlers in einem elektronisch kommutierten elektromotor - Google Patents

Verfahren zur bestimmung eines fehlers in einem elektronisch kommutierten elektromotor Download PDF

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Markus Dietrich
Martin Zimmermann
Francis Moebs
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Schaeffler Technologies Gmbh & Co. Kg
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/34—Testing dynamo-electric machines
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01R31/34—Testing dynamo-electric machines

Definitions

  • the invention relates to a method for determining a fault in an electronically commutated electric motor, wherein in each motor phase at least one stator coil of the electric motor is connected in parallel, wherein a motor phase is energized and the current flowing through this motor phase current is measured.
  • Motor phase are connected in parallel. In the case of a fault of such a coil connected in parallel, however, a current flow continues to take place. The electric motor is still running, but with reduced performance. If this defective electric motor operated as a functional, can cause serious damage to the electric motor.
  • the invention is therefore based on the object to provide a method for determining an error in an electronically commutated electric motor, in which two stator coils of the motor are connected in parallel in each motor phase, in which a defect is reliably detected in an engine phase, although the engine even further running.
  • this object is achieved in that the three motor phases are energized one after the other and the current flowing during this energization in the respective motor phase current is measured, the measured currents in the three motor phases are compared and detected a defect of the electric motor, if the measured Currents differ from each other.
  • the deviation of the currents can be positive or negative depending on the interconnection.
  • a defect of a coil in the first motor phase is concluded.
  • a defective coil in a parallel connection relatively large differences in the currents occur.
  • the motor phase in a delta circuit of the three motor phases, is detected as defective, in which the current measured directly above the motor phase is lower than the current which is measured together across the other two motor phases connected in series. This is due to the fact that in a delta connection, the terminal resistance is calculated from the amounts of all three motor phases. As a result, the clamping resistance changes in all energizing cases.
  • the motor phase is detected as defective, in which the measured current is higher than the current measured separately in the other two motor phases.
  • the clamping resistor just corresponds to two series-connected phases, and therefore the current flowing through a defective coil phase behaves differently than the current flowing through the two remaining phases with correctly operating coils.
  • the three motor phases for current measurement are subjected to the same voltage. This is particularly important because the same starting conditions for the current measurement must be present at the three motor phases of the electric motor, so that the measured currents are comparable.
  • a control unit is used for current measurement, which performs the verification of the motor phases in a diagnostic mode.
  • this is the same control unit which is provided for driving the electric motor.
  • Control unit itself is a measuring resistor installed, which is used for current measurement at the individual motor phases.
  • the proposed method represents a particularly cost-effective method for detecting defects in the electrically commutated electric motor.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of an electro-hydraulic coupling system
  • FIG 3 shows an exemplary embodiment of a star connection of the motor phases of the electric motor.
  • Fig. 1 an electro-hydraulic clutch system is shown, as it is in today
  • Such a coupling system has a Hydrostatak- tor 1, as it is known for example from DE 10 2010 047 801 A1.
  • This hydrostatic actuator 1 comprises an actuator housing 2, in which a piston 3 is movably arranged.
  • the piston 3 is driven by an electrically commutated electric motor 4, which is controlled by a control unit 5 via an output stage 6.
  • the output stage 6 is arranged in the actuator housing 2.
  • the hydrostatic actuator 1 Via a hydraulic line 7, the hydrostatic actuator 1 is connected to a slave cylinder 8, which moves a clutch 9.
  • the adjustment of the position of the clutch 9 is due to the drive of the arranged in a donor cylinder not shown piston 3 by the electric motor 4 in the hydrostatic actuator. 1
  • FIG. 2 shows by way of example a triangular connection of the motor phases U, V, W of the electric motor. Motors 4 shown.
  • Each motor phase U, V, W contains two parallel connected stator coils 10, 1 1; 12, 13; 14, 15 of the electric motor 4.
  • the coils 10, 1 1; 12, 13; 14, 15 are identical and have the same resistance R sp .
  • a defective or normally functioning coil 10, 1 1; 12, 13; 14, 15 the resistance of the phase changes.
  • a terminal resistance R is effective , i for example between terminals A and B of
  • the deviation of the current I conductor, 1. flowing through the motor phase U, in which the defective coil 10 is included, is conductor, 2 ⁇
  • the resistance increases by a factor of 3/2. In the other two cases by a factor of 9/8. If the three phases are energized in succession, the current when the defective coil 10 is directly between the terminals A, B, by 1/3 less than in the two cases in which the other two motor phases V, W are measured.
  • a star connection corresponds to the terminal resistance Rgefel between the terminal points A, B, C currently two series-connected motor phases U, V, W. Is now in one of these motor phases U, V, W one of If both parallel coils 10, 1 1 are defective, the terminal resistance R is increased by a factor of 3/2.
  • the measured current I conductor, 1 in the motor phase U thus reduces with unchanged drive voltage to 2/3 of the current leads in the normal state. If the three motor phases U, V, W are energized one after the other, the current I conductor, 1 is 50% higher during energization without a defective coil than when the defective motor phase U is energized, compared to the other two motor phases V, W.
  • the resistance of the normal phase Rphase is R r ⁇ phase - I _ R r ⁇ sp-
  • the terminal resistance R tot amt between terminal points B and C corresponds to
  • the terminal resistance R geS amt which is between the terminals A, B and A, C, where in each case a parallel circuit is included with a defective coil 10, is measured

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Fehlers in einem elektronisch kommutierten Elektromotor, bei welchem in jeder Motorphase mindestens eine Statorspule des Elektromotors parallel verschaltet ist, wobei eine Motorphase bestromt wird und der durch diese Motorphase fließende Strom gemessen wird. Bei einem Verfahren, bei welchem ein Defekt des Elektromotors zuverlässig erkannt wird, werden die drei Motorphasen nacheinander bestromt und der während dieser Bestromung auftretende Strom der einzelnen Motorphasen gemessen, wobei die in den drei Motorphasen gemessenen Ströme miteinander verglichen werden und auf einen Defekt des Elektromotors erkannt wird, wenn die gemessenen Ströme voneinander abweichen.

Description

Verfahren zur Bestimmung eines Fehlers in einem elektronisch kommutierten Elektromotor
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Fehlers in einem elektronisch kommutierten Elektromotor, bei welchem in jeder Motorphase mindestens eine Statorspule des Elektromotors parallel verschaltet ist, wobei eine Motorphase bestromt wird und der durch diese Motorphase fließende Strom gemessen wird.
Aus der DE 10 201 1 083 217 A1 ist ein Verfahren zur Überprüfung der Phasen eines elektronisch kommutierten Elektromotors bekannt. Bei diesem zu überprüfenden Elektromotor sind die jeweils zwei Spulen, welche in jeder Motorphase des Elektromotors angeordnet sind, in Reihe geschaltet. Um eine Phasenunterbrechung zuverlässig zu erkennen, werden nacheinander mindestens zwei Kommutierungsschritte des Elektromotors angestoßen und bei jedem Kommutierungsschritt eine Strommessung durchgeführt. Wird in einer Motorphase dabei bei der Strommessung eines Stromausfalls detektiert, wird auf eine Unterbrechung der Motorphase geschlossen.
Es gibt aber auch Elektromotoren, bei welchen die beiden Spulen in der jeweiligen
Motorphase parallel verschaltet sind. Bei einem Fehler einer solchen parallel verschalteten Spule findet aber weiter ein Stromfluss statt. Der Elektromotor läuft dadurch immer noch, aber mit nur reduzierter Leistungsfähigkeit. Wird dieser defekte Elektromotor wie ein funktionsfähiger betrieben, können schwerwiegende Folgeschäden am Elektromotor entstehen.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung eines Fehlers in einem elektronisch kommutierten Elektromotor anzugeben, bei welchem in jeder Motorphase zwei Statorspulen des Motors parallel verschaltet sind, bei dem ein Defekt in einer Motorphase zuverlässig erkannt wird, obwohl der Motor noch weiter läuft.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die drei Motorphasen nacheinander bestromt werden und der während dieser Bestromung in der jeweiligen Motorphase fließende Strom gemessen wird, wobei die in den drei Motorphasen gemessenen Ströme verglichen werden und auf einen Defekt des Elektromotors erkannt wird, wenn die gemessenen Ströme voneinander abweichen. Die Abweichung der Ströme kann dabei je nach Verschaltung positiv oder negativ sein. Es ist aber immer zuverlässig darauf zu schließen, dass eine Motorphase, d.h. insbesondere eine der parallel verschalteten Spulen in der jeweiligen Motorphase, defekt ist. Durch das Messen der drei Motorphasen direkt hintereinander können Umwelteinflüsse eliminiert werden und die relativ hohen Unterschiede in den Strömen direkt detektiert werden.
Vorteilhafterweise wird bei einer Abweichung eines, in einer ersten Motorphase gemessenen ersten Stromes von den beiden Strömen, die in den anderen beiden Motorphasen gemessen werden, auf einen Defekt einer Spule in der ersten Motorphase geschlossen. Bei einer defekten Spule in einer Parallelverschaltung treten relativ große Unterschiede in den Strömen auf. Allerdings muss dabei zwischen einer Dreieckschaltung und einer Sternschaltung unterschieden werden.
In einer Ausgestaltung wird bei einer Dreieckschaltung der drei Motorphasen die Motorphase als defekt erkannt, bei welcher der direkt über der Motorphase gemessene Strom niedriger ist, als der Strom, welcher gemeinsam über den beiden anderen in Reihe geschalteten Motorphasen gemessen wird. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bei einer Dreieckschaltung sich der Klemmenwiderstand aus den Beträgen aller drei Motorphasen berechnet. Dadurch ändert sich der Klemmwiderstand in allen Bestromungsfällen.
In einer Alternative wird bei einer Sternschaltung der drei Motorphasen die Motorphase als defekt erkannt, bei welcher der gemessene Strom höher ist als der in den beiden anderen Motorphasen getrennt gemessene Strom. Hier entspricht der Klemmwiderstand gerade zwei in Reihe verschalteten Phasen, weshalb sich der Strom, welcher durch eine Phase mit defekter Spule fließt, sich anders verhält als der Strom, welcher durch die zwei verbleibenden Phasen mit korrekt arbeitenden Spulen fließt.
In einer Variante werden die drei Motorphasen zur Strommessung mit der gleichen Spannung beaufschlagt. Dies ist insbesondere deshalb von Bedeutung, da für die Strommessung dieselben Ausgangsbedingungen an den drei Motorphasen des Elektromotors vorhanden müssen, damit die gemessenen Ströme vergleichbar sind.
In einer Weiterbildung wird der Elektromotor nach Feststellung eines Fehlers in einen
Notbetrieb umgeschaltet. Durch einen solchen Notbetrieb kann eine weitere Schädigung des Elektromotors, beispielsweise durch Überhitzung, zuverlässig verhindert werden.
In einer Ausführungsform wird zur Strommessung ein Steuergerät verwendet, welches die Überprüfung der Motorphasen in einem Diagnosemodus durchführt. Vorteilhafterweise ist dies dasselbe Steuergerät, welches zur Ansteuerung des Elektromotors vorgesehen ist. In dem Steuergerät selbst ist dabei ein Messwiderstand verbaut, welcher zur Strommessung an den einzelnen Motorphasen genutzt wird. Dadurch stellt das vorgeschlagene Verfahren eine besonders kostengünstige Methode dar, um Defekte an dem elektrisch kommutierten Elektromotor feststellen zu können.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
Es zeigen:
Fig. 1 : Prinzipdarstellung eines elektrohydraulischen Kupplungssystems,
Fig. 2: ein Ausführungsbeispiel für eine Dreiecksverschaltung der Motorphasen des
Elektromotors,
Fig. 3: ein Ausführungsbeispiel für eine Sternverschaltung der Motorphasen des Elektromotors.
Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
In Fig. 1 ist ein elektrohydraulisches Kupplungssystem dargestellt, wie es heute in
Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommt. Ein solches Kupplungssystem weist einen Hydrostatak- tor 1 auf, wie er beispielsweise aus der DE 10 2010 047 801 A1 bekannt ist. Dieser Hydrosta- taktor 1 umfasst ein Aktorgehäuse 2, in dem ein Kolben 3 beweglich angeordnet ist. Der Kolben 3 wird von einem elektrisch kommutierten Elektromotor 4 angetrieben, der von einem Steuergerät 5 über eine Endstufe 6 angesteuert wird. Die Endstufe 6 ist dabei im Aktorgehäuse 2 angeordnet.
Über eine Hydraulikleitung 7 ist der Hydrostataktor 1 mit einem Nehmerzylinder 8 verbunden, welcher eine Kupplung 9 bewegt. Die Verstellung der Position der Kupplung 9 erfolgt aufgrund des Antriebes des in einem nicht weiter dargestellten Geberzylinder angeordneten Kolbens 3 durch den Elektromotor 4 im Hydrostataktor 1.
Im Betrieb der Kupplung 9 wird der Elektromotor 4 von dem Steuergerät 5 in einem
Kommutierungsmodus angesteuert, wobei der Elektromotor 4 über drei Phasen U; V; W verfügt. In Fig. 2 ist beispielhaft eine Dreieckverschaltung der Motorphasen U, V, W des Elektro- motors 4 gezeigt. Jede Motorphase U, V, W enthält dabei zwei parallel zueinander verschaltete Statorspulen 10, 1 1 ; 12, 13; 14, 15 des Elektromotors 4. Die Spulen 10, 1 1 ; 12, 13; 14, 15 sind dabei identisch und besitzen denselben Widerstand Rsp. Je nachdem, ob eine Motorphase U, V, W eine defekte oder normal funktionierende Spule 10, 1 1 ; 12, 13; 14, 15 enthält, ändert sich der Widerstand der Phase.
Der Widerstand bei einer defekten Phase Rphase.det beträgt
Rphase.def Rsp
Der Widerstand der normalen Phase Rphase entspricht
R r^Phase - — _ R ^s -
2
Bei einer Strommessung wirkt ein Klemmenwiderstand RgeSamt,i beispielsweise zwischen den Klemmen A und B von
gesamt, 1
R~Phase,def
Figure imgf000006_0001
Der Klemmenwiderstand Rgesamt,2, welcher bei einer Strommessung zwischen den Klemmen A, C bzw. B, C erhalten wird, beträgt
* 1 - 3 R
Vjesamt,2 i 1 o SP
R-Phase ^Phase + ^Phase,def
Der nach dem ohmschen Widerstand zwischen den Klemmen A und B fließende Strom I Leiter, 1 beträgt
Figure imgf000006_0002
Der Strom lLeiter,2, welcher zwischen den Klemmen A und B gemessen wird, welcher aber über die zwei Motorphasen V (Klemme B und C) und W (Klemme C und A) detektiert wird, ergibt:
I I Leiter, 2 - _ u - u
R gesamt,! 3 R„
8 *
Die Abweichung des Stromes I Leiter, 1. der durch die Motorphase U fließt, in welcher die defekte Spule 10 enthalten ist, beträgt Leiter, 2 ^
^Leiter,!
Befindet sich die defekte Spule 10 direkt zwischen den Klemmen A, B unter gleicher
Spannung, steigt der Widerstand um den Faktor 3/2. In den beiden anderen Fällen um den Faktor 9/8. Werden nun nacheinander die drei Phasen bestromt, ist der Strom, wenn sich die defekte Spule 10 direkt zwischen den Klemmen A, B befindet, um 1/3 geringer als in den beiden Fällen, bei welchen die beiden anderen Motorphasen V, W ausgemessen werden.
Bei einer Sternschaltung, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, entspricht der Klemmenwiderstand Rgesamt zwischen den Klemmenpunkten A, B, C gerade zwei in Reihe verschalteten Motorphasen U, V, W. Ist nun in einer dieser Motorphasen U, V, W eine der beiden parallelen Spulen 10, 1 1 defekt, steigt der Klemmenwiderstand RgeSamt um einen Faktor 3/2. Der gemessene Strom I Leiter, 1 in der Motorphase U reduziert sich somit bei unveränderter Ansteuerspannung auf 2/3 des Stromes Leitet im Normalzustand. Werden nun nacheinander die drei Motorphasen U, V, W bestromt, ist bei der Bestromung ohne defekte Spule der Strom I Leiter, 1 um 50% höher als wenn die defekte Motorphase U bestromt wird, im Vergleich zu den anderen beiden Motorphasen V, W.
Auch bei der Sternverschaltung gilt, dass der Widerstand der defekten Phase Rphase.det
Rphase.def — Rsp ist.
Der Widerstand der normalen Phase Rphase beträgt R r^Phase - I _ R r^sp-
2
Der Klemmenwiderstand RgeSamt zwischen den Klemmenpunkten B und C entspricht dabei
Rgesamt 2 Rphase Rsp-
Der Klemmenwiderstand RgeSamt, welcher zwischen den Klemmenpunkten A, B und A, C, wo jeweils eine Parallelschaltung mit einer defekten Spule 10 enthalten ist, gemessen wird, beträgt
3
Rgesamt,2 — Rphase "*~ Rphase.def — ~ Rsp-
Der Strom I Leiter, 1. welcher zwischen der normalen Motorphase V und den Klemmenpunkten B und C gemessen wird, beträgt
Leiter, 1 -— u — U
Der an den defekten Spulenphasen gemessene Strom zwischen den Klemmen A, B und A, C beträgt
U _ 2
lLeiter,2 _ lo- gesamt, 2
2 3 RRsP 3
Die Abweichung der Ströme beträgt dabei
/ Leiter. X _ 3
I 1 Leiter, 2 2 ^
Mit dieser Methode kann zuverlässig auch bei elektronisch kommutierten Elektromotoren, die in jeder Motorphase eine Parallelschaltung zweier Statorspulen aufweist, festgestellt werden, ob der Elektromotor korrekt arbeitet. Bezuqszeichenliste
1 Hydrostataktor
Aktorgehäuse
Kolben
Elektromotor
5 Steuergerät
6 Endstufe
7 Hydraulikleitung
8 Nehmerzylinder
9 Kupplung
10 Spule
1 1 Spule
12 Spule
13 Spule
14 Spule
A Klemmenpunkt
B Klemmenpunkt
C Klemmenpunkt
U Motorphase
V Motorphase
W Motorphase

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Bestimmung eines Fehlers in einem elektronisch kommutierten Elektromotor, bei welchem in jeder Motorphase (U, V, W) mindestens eine Statorspule (10, 1 1 ; 12, 13; 14, 15) des Elektromotors (4) parallel verschaltet ist, wobei eine Motorphase (U, V, W) bestromt wird und der durch diese Motorphasen (U, V, W) fließende Strom gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Motorphasen (U, V, W) nacheinander bestromt werden und der während dieser Bestromung auftretende Strom der einzelnen Motorphasen (U, V, W) gemessen wird, wobei die in den drei Motorphasen (U, V, W) gemessenen Ströme miteinander verglichen werden und auf einen Defekt des Elektromotors (4) erkannt wird, wenn die gemessenen Ströme voneinander abweichen.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Abweichung eines, in einer ersten Motorphase (U) gemessenen ersten Stromes von den beiden Strömen, die in den beiden anderen Motorphasen (V, W) gemessen wurden, auf einen Defekt einer Spule (10) in der ersten Motorphase (U) geschlossen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Dreieckschaltung der drei Motorphasen (U, V, W) die Motorphase (U) als defekt erkannt wird, bei welcher der direkt über der Motorphase (U) gemessene Strom niedriger ist als der Strom, welcher über zwei, in Reihe geschaltete Motorphasen (V, W) gemessen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Sternschaltung der drei Motorphasen (U, V, W) die Motorphase (U) als Defekt erkannt wird, bei welcher der gemessene Strom höher ist als der in den beiden anderen Motorphasen (V, W) getrennt gemessene Strom.
5. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Motorphasen (U, V, W) zur Strommessung mit der gleichen Spannung beaufschlagt werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (4) nach Feststellung eines Fehlers in einem Notbetrieb umgeschaltet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Strommessung ein Steuergerät (5) verwendet wird, welches die Überprüfung der Motorphasen (U, V, W) in einem Diagnosemodus durchführt.
PCT/DE2014/200370 2013-08-02 2014-08-01 Verfahren zur bestimmung eines fehlers in einem elektronisch kommutierten elektromotor WO2015014362A1 (de)

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