DE102020203202A1

DE102020203202A1 - Verfahren zur Temperaturüberwachung in einer elektrischen Maschine, elektrische Maschine sowie Luftverdichter mit einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102020203202A1
Application number: DE102020203202.5A
Authority: DE
Inventors: Jochen Wessner; Paul Mehringer; Dierk Staebler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-03-12
Filing date: 2020-03-12
Publication date: 2021-09-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturüberwachung in einer elektrischen Maschine (1), umfassend einen Stator (2) und einen Rotor (3). Erfindungsgemäß wird über die Curie-Temperatur eines im Bereich des Stators (2) angeordneten Permanentmagneten (5) eine Temperaturschwelle definiert und mit Hilfe eines Hall-Sensors (7) wird das Überschreiten der Temperaturschwelle überwacht.Die Erfindung betrifft ferner eine elektrische Maschine (1) mit einem Stator (2) und einem Rotor (3) sowie Mitteln (4) zur Temperaturüberwachung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturüberwachung in einer elektrischen Maschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner eine elektrische Maschine, die Mittel zur Temperarturüberwachung umfasst, so dass sie zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Darüber hinaus wird ein Luftverdichter mit einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine als Antrieb vorgeschlagen, da hierin eine bevorzugte Anwendung der elektrischen Maschine gesehen wird.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zur Temperaturüberwachung in elektrischen Maschinen bekannt, bei denen die Temperatur mit Hilfe eines NTC- oder PTC-Widerstands gemessen wird. Diese Verfahren weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie nicht kontaktlos sind, so dass die Hochvolt-Sicherheit gefährdet ist.
Darüber hinaus sind aus dem Stand der Technik aber auch Verfahren bekannt, die kontaktlos arbeiten. Beispielhaft wird auf die WO 2010/006631 A1 verwiesen, der eine Anordnung mit einer elektrischen Maschine sowie ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine zu entnehmen sind. Die elektrische Maschine weist einen Stator und einen Rotor sowie Mittel zur Temperaturüberwachung auf, und zwar in Form eines kontaktlos arbeitenden Infrarot-Temperatursensors. Um eine verbesserte Temperaturüberwachung des Rotors zu ermöglichen, ist das Detektionsfeld des Infrarot-Temperatursensors durch eine Öffnung des Stators auf die Mantelfläche des Rotors ausgerichtet.
Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Temperaturüberwachung in einer elektrischen Maschine weiter zu verbessern. Insbesondere soll die Temperatur eines Stators der elektrischen Maschine überwacht werden, und zwar kontaktlos, um den Anforderungen an die Hochvolt-Sicherheit zu genügen.
Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie die elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 3 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird ein Luftverdichter mit einer elektrischen Maschine als Antrieb vorgeschlagen.
Offenbarung der Erfindung
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren, das der Temperaturüberwachung in einer elektrischen Maschine, umfassend einen Stator und einen Rotor, dient, wird über die Curie-Temperatur eines im Bereich des Stators angeordneten Permanentmagneten eine Temperaturschwelle definiert. Zugleich wird das Überschreiten der Temperaturschwelle mit Hilfe eines Hall-Sensors überwacht.
Der mindestens eine Permanentmagnet erzeugt ein statisches Magnetfeld, das mit Hilfe des mindestens einen Hall-Sensors detektierbar ist. Erreicht der Permanentmagnet seine Curie-Temperatur, das heißt die Temperatur, bei der die Sättigungspolarisation Bs nahezu null ist und seine magnetischen Eigenschaften verloren gehen, wird dies mit Hilfe des Hall-Sensors erkannt. Da das Erreichen der Curie-Temperatur auf eine entsprechende Erwärmung der unmittelbaren Umgebung des Permanentmagneten zurückzuführen ist, kann mit Hilfe des mindestens einen Permanentmagneten und des mindestens einen Hall-Sensors die Temperatur in der elektrischen Maschine überwacht werden.
Um das statische Magnetfeld des Permanentmagneten zu detektieren, wird der Hall-Sensor in der Nähe des Permanentmagneten, insbesondere im Magnetfeld des Permanentmagneten angeordnet. Ein direkter Kontakt zwischen dem Permanentmagneten und dem Hall-Sensor besteht jedoch nicht. Das heißt, dass beide galvanisch getrennt sind, was sich positiv auf die Hochvolt-Sicherheit auswirkt.
Bei der Durchführung des Verfahrens werden bevorzugt mehrere Permanentmagnete verwendet. Diese können gleiche oder unterschiedliche Curie-Temperaturen aufweisen. Dies ist möglich, da die Curie-Temperatur materialspezifisch ist. Bei Verwendung mehrerer Permanentmagnete mit gleicher Curie-Temperatur können diese zur Plausibilisierung der Messwerte verwendet werden. Ferner können die mehreren Permanentmagnete räumlich verteilt angeordnet werden, um die Temperatur an mehreren Stellen in der elektrischen Maschine zu überwachen. Bei Verwendung mehrerer Permanentmagnete mit unterschiedlichen Curie-Temperaturen können mehrere Temperaturschwellen definiert werden, so dass stufenweise Auflösung der Messwerte möglich ist.
Bevorzugt wird mindestens ein Permanentmagnet im Bereich des Stators, weiterhin bevorzugt an oder in einer Spule des Stators angeordnet, so dass der Permanentmagnet in Kontakt mit dem Spulenmaterial (Kupfer) steht. In dieser Anordnung besteht eine sehr gute Korrelation zwischen der Magnettemperatur und der Spulen- bzw. Statortemperatur.
Darüber hinaus wird eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor sowie Mitteln zur Temperaturüberwachung vorgeschlagen. Erfindungsgemäß umfassen die Mittel zur Temperaturüberwachung mindestens einen im Bereich des Stators angeordneten Permanentmagneten zum Erzeugen eines statischen Magnetfelds und mindestens einen Hall-Sensor zum Detektieren des statischen Magnetfelds. Der Hall-Sensor ist hierzu im Bereich des Permanentmagneten, insbesondere im Magnetfeld des Permanentmagneten, angeordnet.
Mit den vorgeschlagenen Mitteln zur Temperaturüberwachung kann das zuvor beschriebene erfindungsgemäße Verfahren zur Temperaturüberwachung in einer elektrischen Maschine durchgeführt werden. Das heißt, dass mit Hilfe der vorgeschlagenen elektrischen Maschine die gleichen Vorteile erzielbar sind. Insbesondere kann eine kontaktlose bzw. galvanisch getrennte Temperaturüberwachung durchgeführt werden, die den Anforderungen an die Hochvolt-Sicherheit genügt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist mindestens ein Permanentmagnet im Bereich einer Spule des Stators angeordnet. Mit Hilfe des Permanentmagneten kann somit die Temperatur der Spule überwacht werden. Denn diese heizt sich im Betrieb der elektrischen Maschine auf. Vorteilhafterweise ist der Permanentmagnet an oder in der Spule angeordnet. Beispielsweise kann ein Kontakt zwischen dem Permanentmagneten und den Kupferwicklungen der Spule bestehen. Auf diese Weise wird eine sehr gute Korrelation zwischen der Temperatur des Permanentmagneten und der Temperatur der Spule erreicht.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Mittel zur Temperaturüberwachung mehrere Permanentmagneten umfassen. Diese können sich hinsichtlich ihrer Curie-Temperatur unterscheiden oder die gleiche Curie-Temperatur aufweisen. Mehrere Permanentmagneten mit unterschiedlicher Curie-Temperatur definieren unterschiedliche Temperaturschwellen und ermöglichen damit eine stufenweise Auflösung der Messwerte. Mehrere Permanentmagnete mit gleicher Curie-Temperatur können insbesondere zur Plausibilisierung der Messwerte eingesetzt werden. Ferner kann die Temperatur an verschiedenen Stellen in der elektrischen Maschine überwacht werden, wenn die mehreren Permanentmagnete räumlich verteilt angeordnet werden.
Der mindestens eine Hall-Sensor zur Detektion des statischen Magnetfelds des mindestens einen Permanentmagneten ist vorzugsweise in ein Gehäuse der elektrischen Maschine integriert. Über das Gehäuse ist der Hall-Sensor vor äußeren Einwirkungen, wie beispielsweise Schmutz und/oder Feuchtigkeit, geschützt. Wie bereits erwähnt erfolgt die Anordnung des Hall-Sensors in der Nähe des Permanentmagneten. Vorzugsweise ist der Hall-Sensor in gleicher Winkellage in Bezug auf eine Drehachse des Rotors angeordnet wie der mindestens eine Permanentmagnet. Das heißt, dass sich Hall-Sensor und Permanentmagnet gegenüber liegen, und zwar unter Einhaltung eines radialen oder axialen Abstands. Sofern mehrere Permanentmagnete vorgesehen sind, ist vorzugsweise jedem Permanentmagnet ein Hall-Sensor zugeordnet ist.
Des Weiteren bevorzugt ist mindestens eine Anschlussleitung des mindestens einen Hall-Sensors durch einen Hohlraum des Gehäuses der elektrischen Maschine nach außen geführt. Die Anschlussleitung ist somit ebenfalls optimal vor äußeren Einwirkungen geschützt.
Darüber hinaus wird ein Luftverdichter mit einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine zum Antreiben eines Verdichterrads vorgeschlagen. Hierbei kann es sich insbesondere um einen elektrischen angetriebenen Luftverdichter eines Brennstoffzellensystems für ein Fahrzeug handeln. Hierin wird eine bevorzugte Anwendung der Erfindung gesehen.
Eine weitere bevorzugte Anwendung sieht den Einsatz der elektrischen Maschine als Antrieb eines Fahrzeugs vor.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße elektrische Maschine im Bereich der Mittel zur Temperaturüberwachung.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Die in der Figur dargestellte elektrische Maschine 1 umfasst einen Stator 2 und einen Rotor 3, der um eine Drehachse A drehbeweglich gelagert ist. Die dargestellte elektrische Maschine 1 dient dem Antrieb eines Luftverdichters 13. Ein Verdichterrad 14 des Luftverdichters 13 ist hierzu drehfest mit dem Rotor 3 verbunden. Um im Betrieb des Luftverdichters 13 die Temperatur in der elektrischen Maschine 1 zu überwachen, weist diese Mittel 4 zur Temperaturüberwachung auf.
Die Mittel 4 zur Temperaturüberwachung umfassen einen Permanentmagneten 5 und einen Hall-Sensor 7. Der Permanentmagnet 5 ist im Bereich des Stators 2 angeordnet, und zwar im Bereich einer Spule 8 bzw. eines Spulenkopfs 9 des Stators 2. Die Nähe zur Spule 8 führt dazu, dass sich der Permanentmagnet 5 im Betrieb der elektrischen Maschine 1 gemeinsam mit der Spule 8 erwärmt. Der Hall-Sensor 7 ist - dem Permanentmagneten 5 gegenüberliegend - in ein Gehäuse 10 der elektrischen Maschine 1 integriert. Der Abstand ist so gewählt, dass mit Hilfe des Hall-Sensors 7 ein statisches Magnetfeld 6 des Permanentmagneten 5 detektiert werden kann. Eine Anschlussleitung 11 des Hall-Sensors 7 ist durch einen Hohlraum 12 des Gehäuses 10 nach außen geführt.
Erwärmt sich im Betrieb der elektrischen Maschine 1 die Spule 8 so stark, dass die Curie-Temperatur des Permanentmagneten 5 erreicht wird, geht die magnetische Eigenschaft des Permanentmagneten 5 verloren, das heißt, dass kein statisches Magnetfeld 6 mehr erzeugt wird. Dies wird von dem Hall-Sensor 7 detektiert. Dieser kann dann diese Information an eine Kontrolleinheit (nicht dargestellt) weitergeben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2010/006631 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Temperaturüberwachung in einer elektrischen Maschine (1), umfassend einen Stator (2) und einen Rotor (3), dadurch gekennzeichnet, dass über die Curie-Temperatur eines im Bereich des Stators (2) angeordneten Permanentmagneten (5) eine Temperaturschwelle definiert wird und mit Hilfe eines Hall-Sensors (7) das Überschreiten der Temperaturschwelle überwacht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Permanentmagnete (5) mit gleichen oder unterschiedlichen Curie-Temperaturen verwendet werden.
Elektrische Maschine (1) mit einem Stator (2) und einem Rotor (3) sowie Mitteln (4) zur Temperaturüberwachung, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (4) zur Temperaturüberwachung mindestens einen im Bereich des Stators (2) angeordneten Permanentmagneten (5) zum Erzeugen eines statischen Magnetfelds (6) und mindestens einen Hall-Sensor (7) zum Detektieren des statischen Magnetfelds (6) umfassen.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Permanentmagnet (5) im Bereich einer Spule (8), vorzugsweise an oder in der Spule (8), des Stators (2) angeordnet ist.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (4) zur Temperaturüberwachung mehrere Permanentmagneten (5) umfassen, die sich hinsichtlich ihrer Curie-Temperatur unterscheiden.
Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (4) zur Temperaturüberwachung mehrere Permanentmagneten (5) mit gleicher Curie-Temperatur umfassen, die räumlich verteilt angeordnet sind.
Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Hall-Sensor (7) in ein Gehäuse (10) der elektrischen Maschine (1) integriert ist, vorzugsweise in gleicher Winkellage in Bezug auf eine Drehachse (A) des Rotors (3) wie der mindestens eine Permanentmagnet (5).
Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Permanentmagnet (5) ein Hall-Sensor (7) zugeordnet ist.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Anschlussleitung (11) des mindestens einen Hall-Sensors (7) durch einen Hohlraum (12) des Gehäuses (10) nach außen geführt ist.
Luftverdichter (13) mit einer elektrischen Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Antreiben eines Verdichterrads (14).