DE102023002861A1

DE102023002861A1 - Verfahren zum Ermitteln einer Rotortemperatur einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102023002861A1
Application number: DE102023002861.4A
Authority: DE
Inventors: Michael Saur; Maximilian Hepp
Original assignee: Mercedes Benz Group AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2023-07-14
Filing date: 2023-07-14
Publication date: 2025-01-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Temperatur eines Rotors einer den Rotor und einen Stator (10) aufweisenden, elektrischen Maschine (11), wobei mittels einer Sensoreinrichtung (22) der elektrischen Maschine (11)zumindest ein Teil eines magnetischen Flusses der elektrischen Maschine (11) gemessen wird. In Abhängigkeit von dem mittels der Sensoreinrichtung (22) gemessenen Teil des magnetischen Flusses wird die Temperatur des Rotors mittels einer elektronischen Rechenrichtung (13) berechnet und dadurch ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Rotortemperatur einer elektrischen Maschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Die DE 10 2008 018 843 A1 offenbart einen elektronisch kommutierten Asynchronmotor. Aus der DE 10 2021 202 982 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln eines Rotortemperaturwerts für eine elektrische Maschine bekannt. Die FR 3033961 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben einer Asynchronmaschine. Die DE 10 2015 012 902 A1 offenbart ein Verfahren zum Bestimmen einer Temperatur eines Rotors. Der DE 10 2016 214 497 A1 ist eine Steuerungseinheit zum Steuern einer elektrischen Maschine als bekannt zu entnehmen. Des Weiteren offenbart die DE 10 2012 100 237 A1 eine elektrische Maschine mit einem integrierten Rotortemperaturgeber. Aus der US 6042265 A ist eine sensorlose Schätzung einer Rotortemperatur einer elektrischen Maschine bekannt. Die US 6316904 B1 offenbart ein Verfahren zum Schätzen einer Drehzahl und der Rotorzeitkonstante einer elektrischen Maschine. Aus der EP 2 704 311 A2 ist eine Vorrichtung zur Schätzung der Parameter in einem Induktionsmotor bekannt. Des Weiteren offenbart die DE 10 2014 213 103 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Rotortemperatur.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, mittels welchem eine Rotortemperatur einer elektrischen Maschine besonders präzise ermittelt, das heißt bestimmt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer auch als Rotortemperatur bezeichneten Temperatur eines Rotors einer den Rotor und einen Stator aufweisenden, elektrischen Maschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug. Dies bedeutet beispielsweise, dass das einfach auch als Fahrzeug bezeichnete und beispielsweise als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen, ausgebildete Kraftfahrzeug in seinem vollständig hergestellten Zustand die elektrische Maschine aufweist und mittels der elektrischen Maschine, insbesondere rein, elektrisch antreibbar ist. Ganz vorzugsweise ist die elektrische Maschine eine Hochvolt-Komponente, deren elektrische Spannung, insbesondere elektrische Betriebs- oder Nennspannung vorzugsweise größer als 50 Volt, insbesondere größer als 60 Volt, ist und ganz vorzugsweise mehrere Hundert Volt beträgt. Insbesondere ist der Stator mittels des Rotors antreibbar und dadurch um eine Maschinendrehachse relativ zu dem Stator drehbar. Beispielsweise kann die elektrische Maschine über ihren Rotor auch als Antriebsdrehmoment oder Antriebsmomente bezeichnete Drehmomente bereitstellen, mittels welchen beispielsweise das Kraftfahrzeug, insbesondere rein elektrisch, angetrieben werden kann. Beispielsweise wird das Verfahren während eines Betriebs der elektrischen Maschine durchgeführt, wobei beispielsweise während des Betriebs mittels des Stators der Rotor angetrieben und dadurch um die Maschinendrehachse relativ zu dem Stator gedreht wird. Insbesondere ist vorgesehen, dass während des Betriebs die elektrische Maschine über ihren Rotor wenigstens eines der Antriebsdrehmomente bereitstellt und hierdurch beispielsweise das Kraftfahrzeug antreibt.
Um nun die Rotortemperatur besonders präzise ermitteln, das heißt bestimmen zu können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass, insbesondere während des Betriebs der elektrischen Maschine, mittels einer Sensoreinrichtung der elektrischen Maschine zumindest ein Teil eines magnetischen Flusses der elektrischen Maschine gemessen, das heißt erfasst wird. Insbesondere kann mittels der elektrischen Maschine ein Magnetfeld, insbesondere zum Antreiben des Rotors, erzeugt werden, wobei beispielsweise während des Verfahrens, insbesondere während des Betriebs, die elektrische Maschine das Magnetfeld erzeugt, mittels welchem beispielsweise der Rotor angetrieben wird. Beispielsweise weist die elektrische Maschine wenigstens eine Wicklung auf, mittels welcher das Magnetfeld erzeugbar oder erzeugt wird. Insbesondere ist es vorgesehen, dass beispielsweise mittels des Stators das Magnetfeld erzeugbar oder erzeugt wird. Hierfür ist beispielsweise die genannte Wicklung ein Bestandteil des Stators, sodass die Wicklung beispielsweise auch als Statorwicklung bezeichnet wird. Dabei ist oder wird beispielsweise mittels der Statorwicklung das Magnetfeld erzeugbar oder erzeugt. Der magnetische Fluss ist ein magnetischer Fluss des Magnetfelds. Bei dem Verfahren werden beispielsweise mittels der Sensoreinrichtung das Magnetfeld und somit zumindest der Teil des magnetischen Flusses erfasst. Insbesondere wird mittels der Sensoreinrichtung eine zumindest den Teil des magnetischen Flusses und somit des Magnetfelds charakterisierende, das heißt beschreibende oder angebende Größe erfasst. Der magnetische Fluss wird auch als Magnetfluss bezeichnet.
Des Weiteren ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass, insbesondere während des Betriebs der elektrischen Maschine, in Abhängigkeit von dem mittels der Sensoreinrichtung gemessenen Teil des magnetischen Flusses der elektrischen Maschine die Temperatur des Rotors mittels einer elektronischen Recheneinrichtung berechnet und dadurch ermittelt wird. Da durch das erfindungsgemäße Verfahren die Rotortemperatur besonders präzise bestimmt, das heißt ermittelt werden kann, kann im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen eine deutlich höhere thermische Ausnutzung der elektrischen Maschine erzielt werden. Dies bedeutet, dass im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen thermische Grenzen der elektrischen Maschine weiter oder umfangreicher genutzt werden können, sodass ein effektiver und effizienter Betrieb der elektrischen Maschine darstellbar ist. Insbesondere ermöglicht es die Erfindung, Temperaturmodelle, welche beispielsweise zum Berechnen der Rotortemperatur verwendet werden, besonders einfach abzugleichen. Ein Hintergrund der Erfindung ist insbesondere, dass herkömmliche Temperaturmodelle zum Berechnen der Rotortemperatur sehr genau appliziert werden müssen, rechenintensiv und nur unzureichend genau sind. Demgegenüber ermöglicht es nun das erfindungsgemäße Verfahren, die Rotortemperatur besonders präzise bestimmen, das heißt ermitteln zu können.
Um die Rotortemperatur besonders präzise ermitteln zu können, ist es bei einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass als der Teil des magnetischen Flusses ein auch als magnetischer Streufluss bezeichneter Streufluss der elektrischen Maschine, das heißt des Magnetfelds, gemessen wird. Somit wird beispielsweise mittels der Sensoreinrichtung eine Flussmessung durchgeführt, bei der oder durch die der magnetische Fluss gemessen wird. Insbesondere ist die Flussmessung eine Streuflussmessung, durch die oder bei der der Streufluss gemessen wird.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass als der magnetische Fluss der elektrischen Maschine ein magnetischer Fluss des Stators verwendet wird, wobei der magnetische Fluss des Stators auch als Statorfluss oder magnetischer Statorfluss bezeichnet wird. Somit ist es vorzugsweise vorgesehen, dass als der Teil des magnetischen Flusses der elektrischen Maschine ein Teil des magnetischen Flusses des Stators mittels der Sensoreinrichtung gemessen, das heißt erfasst wird. Somit handelt es sich vorzugsweise bei dem zuvor genannten Streufluss um einen Streufluss des magnetischen Flusses des Stators, wobei der Streufluss des magnetischen Flusses des Stators auch als Statorstreufluss bezeichnet wird. Somit ist beispielsweise die beispielsweise Flussmessung eine Statorstreuflussmessung, durch die oder bei der der Streufluss des magnetischen Feldes des Stators gemessen wird. In der Folge kann die Rotortemperatur besonders präzise ermittelt werden. Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn mittels der elektronischen Recheneinrichtung in Abhängigkeit von dem mittels der Sensoreinrichtung gemessenen Teil des magnetischen Flusses des Stators zumindest eine Position zumindest eines Teils eines magnetischen Flusses des Rotors ermittelt wird. Der magnetische Fluss des Rotors ist insbesondere ein magnetischer Fluss eines Magnetfelds des Rotors, wobei beispielsweise der magnetische Fluss des Rotors und somit insbesondere das Magnetfeld des Rotors aus dem magnetischen Fluss des Stators resultiert, insbesondere durch den magnetischen Fluss des Stators beziehungsweise durch das Magnetfeld des Stators induziert wird. Die Position zumindest des Teils des magnetischen Flusses des Rotors wird auch als Rotorflussposition bezeichnet. Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass mittels der elektronischen Recheneinrichtung die Rotortemperatur in Abhängigkeit von der ermittelten Rotorflussposition berechnet und dadurch ermittelt wird, wodurch die Rotortemperatur besonders präzise bestimmt werden kann.
Somit ist vorzugsweise vorgesehen, dass mittels der Sensoreinrichtung der Streufluss des Stators, das heißt der Streufluss des magnetischen Feldes des Stators gemessen wird, wobei in Abhängigkeit von dem gemessenen Streufluss des Magnetfelds des Stators die Rotorflussposition bestimmt wird. In Abhängigkeit von der Rotorflussposition kann dann die Rotortemperatur besonders präzise bestimmt werden.
Um die Rotortemperatur besonders präzise ermitteln zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass mittels der elektronischen Recheneinrichtung in Abhängigkeit von dem mittels der Sensoreinrichtung gemessenen Teil des magnetischen Flusses der elektrischen Maschine die Rotorzeitkonstante ermittelt, insbesondere berechnet wird. Dabei hat sich als vorteilhaft gezeigt, wenn mittels der elektronischen Recheneinrichtung in Abhängigkeit von der Rotorzeitkonstante die Temperatur berechnet und dadurch ermittelt wird, wodurch die Rotortemperatur besonders präzise bestimmt werden kann.
Um die Rotortemperatur besonders präzise ermitteln zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass mittels der elektronischen Recheneinrichtung in Abhängigkeit von der ermittelten Rotorflussposition die Rotorzeitkonstante ermittelt wird, wobei mittels der elektronischen Recheneinrichtung in Abhängigkeit von der Rotorzeitkonstante die Temperatur (Rotortemperatur) berechnet und dadurch ermittelt wird.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass mittels der elektronischen Recheneinrichtung wenigstens eine auch als Rotorstellung oder Rotorposition bezeichnete Drehstellung des Rotors insbesondere bezüglich des Stators ermittelt wird. Beispielsweise wird die Drehstellung gemessen, beispielsweise mittels eines Sensors, welcher beispielsweise ein insbesondere elektrisches, die gemessene Drehstellung charakterisierendes Messsignal bereitstellt. Die elektronische Recheneinrichtung kann das Messsignal empfangen und dadurch die Drehstellung ermitteln. Ferner ist es denkbar, dass die elektronische Recheneinrichtung die Drehstellung berechnet und dadurch ermittelt. Mittels der elektronischen Recheneinrichtung wird in Abhängigkeit von der ermittelten Drehstellung (Rotorposition) die Temperatur (Rotortemperatur) berechnet und dadurch ermittelt, wodurch die Rotortemperatur besonders präzise bestimmt werden kann.
Bei einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass mittels der elektronischen Recheneinrichtung in Abhängigkeit von der Drehstellung des Rotors die Rotorzeitkonstante ermittelt wird, wobei mittels der elektronischen Recheneinrichtung in Abhängigkeit von der Rotorzeitkonstante die Rotortemperatur berechnet und dadurch ermittelt wird. Somit ist es beispielsweise vorgesehen, dass in Abhängigkeit von der Rotorposition (Drehstellung) und in Abhängigkeit von der Rotorflussposition mittels der elektronischen Recheneinrichtung die Rotorzeitkonstante ermittelt, insbesondere berechnet, wird, wobei mittels der elektronischen Recheneinrichtung in Abhängigkeit von der ermittelten Rotorzeitkonstante die Rotortemperatur berechnet und dadurch ermittelt, das heißt bestimmt wird. Hierdurch kann die Rotortemperatur besonders präzise ermittelt werden, sodass ein besonders vorteilhafter Betrieb der elektrischen Maschine darstellbar ist.
Dadurch, dass der Rotor um die Maschinendrehachse relativ zu dem Stator drehbar ist, kann der Rotor um die Maschinendrehachse relativ zu dem Stator in mehrere, voneinander unterschiedliche, auch als Winkellagen bezeichnete Drehstellungen gedreht werden, wobei die zuvor genannte, wenigstens eine Drehstellung eine der mehreren Drehstellungen ist.
Um die Rotortemperatur besonders präzise ermitteln zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass als die elektrische Maschine eine Asynchronmaschine insbesondere mit einem Stäbe umfassenden Käfig, insbesondere Kurzschlusskäfig, verwendet wird. Insbesondere ist der Käfig ein Bestandteil des Rotors. Somit ist beispielsweise der magnetische Fluss des Rotors, das heißt der magnetische Fluss des Magnetfelds des Rotors, ein magnetischer Fluss eines Magnetfelds des Käfigs. Hintergrund ist insbesondere, dass der magnetische Fluss des Rotors beziehungsweise das Magnetfeld des Rotors, insbesondere direkt, von einem elektrischen Strom, mit welchem die elektrische Maschine insbesondere während des Betriebs versorgt wird, und daher über einen elektrischen Widerstand auch von der Rotortemperatur abhängt, die beispielsweise eine Temperatur des Käfigs, insbesondere wenigstens eines der Stäbe des Käfigs, ist.
Um einen besonders vorteilhaften Betrieb realisieren zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die elektrische Maschine in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur betrieben wird.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:

1 eine schematische Perspektivansicht eines Stators einer elektrischen Maschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug;
2 ausschnittsweise eine schematische Perspektivansicht einer Platine einer Sensoreinrichtung der elektrischen Maschine; und
3 ein Flussdiagramm zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Übermitteln einer Rotortemperatur der elektrischen Maschine.

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in einer schematischen Perspektivansicht einen Stator 10 einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Dies bedeutet, dass das einfach auch als Fahrzeug bezeichnete und beispielsweise als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen, ausgebildete Kraftfahrzeug in seinem vollständig hergestellten Zustand die elektrische Maschine aufweist und mittels der elektrischen Maschine, insbesondere rein, elektrisch antreibbar ist. Vorzugsweise ist die elektrische Maschine eine Hochvolt-Komponente, deren elektrische Spannung, insbesondere elektrische Betriebs- oder Nennspannung, vorzugsweise größer als 50 Volt, insbesondere größer als 60 Volt, ist und ganz vorzugsweise mehrere hundert Volt beträgt. Die elektrische Maschine weist in ihrem vollständig hergestellten Zustand den Stator 10 und einen in den Figuren nicht dargestellten Rotor auf, welcher um eine Maschinendrehachse der elektrischen Maschine, deren axiale Richtung mit der Maschinendrehachse zusammenfällt, relativ zu dem Stator 10 drehbar ist. Insbesondere kann die elektrische Maschine über ihren Rotor Antriebsdrehmomente zum Antreiben des Kraftfahrzeugs bereitstellen.
Die elektrische Maschine ist in 3 schematisch dargestellt und mit 11 bezeichnet. Die elektrische Maschine 11, insbesondere der Stator 10, weist wenigstens eine Wicklung 12 auf, mittels welcher ein auch als Statormagnetfeld bezeichnetes, erstes Magnetfeld, insbesondere mit einem einfach auch als erster Fluss oder erster Magnetfluss bezeichneten, ersten magnetischen Fluss erzeugbar ist. Anhand der Figuren wird im Folgenden ein Verfahren zum Ermitteln einer Temperatur des Rotors der elektrischen Maschine 11 erläutert, wobei beispielsweise bei dem Verfahren mittels der Wicklung 12 des Stators 10 das erste Magnetfeld und somit der erste magnetische Fluss erzeugt wird. Da das erste Magnetfeld ein Magnetfeld des Stators 10 ist, wird das erste Magnetfeld auch als Statormagnetfeld bezeichnet, und da der erste magnetische Fluss ein magnetischer Fluss des Stators 10 ist, wird der erste magnetische Fluss auch als Statorfluss bezeichnet. Ganz vorzugsweise ist die Wicklung 12 nach der auch als Hairpin-Technologie bezeichneten Haarnadel-Technologie ausgebildet und wird daher auch als Hairpin-Wicklung bezeichnet. Da die Wicklung 12 eine Wicklung des Stators 10 ist, wird die Wicklung 12 auch als Stator-Wicklung bezeichnet. Beispielsweise ist ein zweites Magnetfeld, insbesondere mit einem zweiten magnetischen Fluss, erzeugbar, wobei der zweite magnetische Fluss auch als zweiter Magnetfluss oder zweiter Fluss bezeichnet wird. Insbesondere ist das zweite Magnetfeld ein Magnetfeld des Rotors, sodass das zweite Magnetfeld auch als Rotormagnetfeld bezeichnet wird. Somit ist beispielsweise der zweite magnetische Fluss ein magnetischer Fluss des Rotors, sodass der zweite magnetische Fluss auch als Rotorfluss bezeichnet wird. Insbesondere ist es vorgesehen, dass während des Verfahrens das zweite Magnetfeld und somit insbesondere der zweite magnetische Fluss erzeugt werden. Beispielsweise werden das zweite Magnetfeld und somit der zweite magnetische Fluss mittels des ersten Magnetfelds und mittels des ersten magnetischen Flusses erzeugt, beispielsweise dadurch, dass das zweite Magnetfeld mittels des ersten Magnetfelds induziert wird.
Der Stator 10 und somit die elektrische Maschine 11 weisen ein Blechpaket 14 auf, an welchem die Wicklung 12 gehalten ist. Somit ist die Wicklung 12 durch das Blechpaket 14 getragen. Die axiale Richtung der elektrischen Maschine 11 und somit des Stators 10 ist in 1 durch einen Doppelpfeil 16 veranschaulicht. Beispielsweise ist das Blechpaket 14 aus mehreren, separat voneinander ausgebildeten und miteinander verbundenen Blechsegmenten gebildet, insbesondere zusammengepresst. Aus 1 ist erkennbar, dass jeweilige Längenbereiche L der Wicklung 12 auf einer ersten axialen Stirnseite AS1 des Blechpakets 14 in axialer Richtung der elektrischen Maschine 11 und somit des Blechpakets 14 von dem Blechpaket 14, insbesondere von der axialen Stirnseite AS1, abstehen, wodurch die Längenbereiche L wenigstens einen auf der ersten axialen Stirnseite AS1 angeordneten Wickelkopf 18 der Wicklung 12 bilden. Das Blechpaket 14 weist beispielsweise auch eine in axialer Richtung der elektrischen Maschine 11 und somit des Stators 10 und des Blechpakets 14 von der axialen Stirnseite AS1 abgewandte, zweite axiale Stirnseite AS2 auf. Dabei ist es beispielsweise denkbar, dass auf der axialen Stirnseite AS2 zweite Längenbereiche L2 der Wicklung 12 in axialer Richtung der elektrischen Maschine 11 und somit des Stators 10 und des Blechpakets 14 von dem Blechpaket 14, insbesondere von der axialen Stirnseite AS2, abstehen, wodurch beispielsweise die Längenbereiche L2 auf der zweiten axialen Stirnseite AS2 einen zweiten Wickelkopf 20 der Wicklung 12 bilden.
Die elektrische Maschine 11, deren radiale Richtung senkrecht zur axialen Richtung verläuft, weist außerdem eine Sensoreinrichtung 22 auf. Um nun die auch als Rotortemperatur bezeichnete Temperatur des Rotors besonders präzise ermitteln, das heißt bestimmen zu können, ist es bei dem Verfahren vorgesehen, dass, insbesondere während des Betriebs der elektrischen Maschine 11, mittels der Sensoreinrichtung 22 zumindest ein Teil des ersten magnetischen Flusses des Stators 10, das heißt zumindest ein Teil des Statorflusses gemessen wird. Insbesondere handelt es sich bei dem genannten Teil des Statorflusses um einen auch als magnetischer Streufluss bezeichneten Streufluss des ersten magnetischen Flusses, das heißt des Statorflusses, sodass beispielsweise der Streufluss des Statorflusses mittels der Sensoreinrichtung 22 gemessen wird. Wie im Folgenden noch näher erläutert, wird, insbesondere während des Betriebs der elektrischen Maschine 11, in Abhängigkeit von dem mittels der Sensoreinrichtung 22 gemessenen Teil des Statorflusses die Rotortemperatur mittels einer in 3 besonders schematisch dargestellten, elektronischen Recheneinrichtung 13 berechnet und dadurch ermittelt. Der Streufluss des Statorflusses wird auch als Statorstreufluss bezeichnet wird. Somit wird beispielsweise mittels der Sensoreinrichtung 22, insbesondere mittels der Sensorelemente 28, der Statorstreufluss gemessen.
Um das Statormagnetfeld und somit den Statorfluss besonders vorteilhaft erfassen, das heißt messen zu können, weist die Sensoreinrichtung 22 wenigstens eine Platine 24 auf, welche vorzugsweise separat von dem Blechpaket 14 ausgebildet und beispielsweise zumindest mittelbar, insbesondere direkt, mit dem Blechpaket 14 verbunden ist.
2 zeigt ausschnittsweise in einer schematischen Perspektivansicht die Sensoreinrichtung 22. Besonders gut aus 2 erkennbar ist die Platine 24, welche in um die Maschinendrehachse verlaufender Umfangsrichtung der elektrischen Maschine 11 zumindest teilweise, vorliegend vollständig, voneinander beabstandete Platinenbereiche 26 aufweist, zwischen welchen die Längenbereiche L angeordnet sind. Umgekehrt ausgedrückt sind die Platinenbereiche 26 in Umfangsrichtung der elektrischen Maschine 11 zwischen den Längenbereichen L angeordnet.
Die Sensoreinrichtung 22 weist Sensorelemente 28 auf, welche an der Platine 24 gehalten und dadurch durch die Platine 24 getragen sind, insbesondere derart, dass die Sensorelemente 28 jeweils zumindest teilweise in die Platine 24 eingebettet sind. Somit ist die Platine 24 mit den Sensorelementen 28 bestückt. Beispielsweise ist oder umfasst das jeweilige Sensorelement 28 wenigstens oder genau einen jeweiligen Magnetfeldsensor, wobei mittels der Sensorelemente 28, insbesondere mittels der Magnetfeldsensoren, das erste Magnetfeld (Statormagnetfeld) und somit der erste magnetische Fluss (Statorfluss) erfasst werden. Beispielsweise stellen die Sensorelemente 28 und somit die Sensoreinrichtung 22 wenigstens ein, insbesondere elektrisches Signal bereit, welches das mittels der Sensorelemente 28 erfasste, das heißt gemessene, erste Magnetfeld (Statormagnetfeld) und somit den mittels der Sensorelemente 28 gemessenen, ersten magnetischen Fluss (Statorfluss) charakterisiert. Aus 2 ist erkennbar, dass, insbesondere genau, ein jeweiliger der Sensorelemente 28 an, insbesondere genau, einem jeweiligen der Platinenbereiche 26 gehalten ist. Somit sind beispielsweise die Sensorelemente 28 zwischen den Längenbereichen L angeordnet.
Bei dem in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Platinenbereiche 26 als Zähne oder Zinken ausgebildet, welche in radialer Richtung der elektrischen Maschine 11 und somit des Stators 10 und des Blechpakets 14 nach innen hin von einem den Zähnen gemeinsamen Basisbereich 30 der Platine 24 abstehen und in radialer Richtung der elektrischen Maschine 11 und somit des Stators 10 und des Blechpakets 14 nach innen hin an einem jeweiligen, dem Basisbereich 30 gegenüberliegenden, freien Ende E des jeweiligen Zahns enden. Somit ist die Platine 24 kammförmig ausgebildet, vorliegend derart, dass die Platine 24 in Form eines um die Maschinendrehachse gebogenen Kamms ausgebildet ist. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, die Platine 24 derart besonders zeit- und kostengünstig zu montieren, dass bei einem Verfahren zum Herstellen der elektrischen Maschine 11 die Platine 24 in radialer Richtung der elektrischen Maschine 11 und somit des Stators 10 und des Blechpakets 14 von außen nach innen hin zwischen die Längenbereiche L gesteckt wird. Die radiale Richtung der elektrischen Maschine 11 und somit des Stators 10 verläuft senkrecht zur axialen Richtung der elektrischen Maschine 11 und somit des Stators 10 und ist in 1 und 2 durch einen Doppelpfeil 32 veranschaulicht. Die axiale Richtung der elektrischen Maschine 11 und somit des Stators 10 ist in 1 durch eine strichpunktierte Linie 34 veranschaulicht, wobei die Umfangsrichtung der elektrischen Maschine 11 und somit des Stators 10 und des Blechpakets 14 um die axiale Richtung herum verläuft und durch einen Doppelpfeil 36 veranschaulicht ist.
Aus 2 ist erkennbar, dass der Basisbereich 30 auf seiner von den Zähnen (Platinenbereiche 26) abgewandten, in radialer Richtung der elektrischen Maschine 11 nach außen weisenden Seite 35 kreissegmentförmig ausgebildet ist. Aus 1 ist erkennbar, dass sich in Umfangsrichtung der elektrischen Maschine 11 und somit des Stators 10 beidseitig an die Platine 24 ein jeweiliges der Blechsegmente, aus welchem das Blechpaket 14 gebildet ist, anschließt, wobei ein erstes der sich in Umfangsrichtung an die Platine 24 anschließenden Blechsegmente mit 38 und ein zweites der sich in Umfangsrichtung an die Platine 24, insbesondere direkt, anschließenden Blechsegmente mit 40 bezeichnet ist. Das jeweilige Blechsegment 38, 40 und die Platine 24 sind in axialer Richtung der elektrischen Maschine 11 betrachtet zumindest teilweise, insbesondere vollständig, auf gleicher Höhe angeordnet, vorliegend derart, dass das jeweilige Blechsegment 38, 40 und die Platine 24 auf der axialen Stirnseite AS1 bündig zueinander angeordnet sind. Dabei ist die Platine 24 in eine durch einen Pfeil 42 veranschaulichte, erste Richtung durch das Blechpaket 14 zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend und somit zumindest zu mehr als zur Hälfte oder aber vollständig, überdeckt oder überlappt, wobei die durch den Pfeil 42 veranschaulichte, erste Richtung parallel zur axialen Richtung der elektrischen Maschine 11 verläuft oder mit der axialen Richtung der elektrischen Maschine 11 zusammenfällt. In eine durch einen Pfeil 44 veranschaulichte, der ersten Richtung entgegengesetzte, zweite Richtung ist die Platine 24 vollständig überlappungsfrei zu dem Blechpaket 14 angeordnet und somit nicht durch das Blechpaket 14 überlappt, wobei die zweite Richtung parallel zur axialen Richtung der elektrischen Maschine 11 verläuft oder mit der axialen Richtung der elektrischen Maschine 11 zusammenfällt und der ersten Richtung entgegengesetzt ist. Somit ist die Platine 24 in axialer Richtung der elektrischen Maschine 11 zwischen dem Wickelkopf 18 und zumindest einem Längenbereich des Blechpakets 14 angeordnet, wodurch das erste Magnetfeld (Statormagnetfeld) und der erste magnetische Fluss (Statorfluss) besonders vorteilhaft, insbesondere besonders präzise, erfasst werden können. Insbesondere sind die Sensorelemente 28 in axialer Richtung der elektrischen Maschine 11 zwischen dem Wickelkopf 18 und zumindest dem Längenbereich des Blechpakets 14 angeordnet.
Um das erste Magnetfeld und somit den ersten magnetischen Fluss (Statorfluss) besonders präzise erfassen zu können, ist es vorzugsweise vorgesehen, dass der jeweilige Magnetfeldsensor als ein AMR-Sensor, mithin als ein anisotroper magnetoresistiver Sensor ausgebildet ist.
Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die Sensoreinrichtung 22 dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von dem erfassten ersten Magnetfeld, das heißt in Abhängigkeit von dem erfassten, ersten magnetischen Fluss wenigstens eine Drehstellung, insbesondere mehrere Drehstellungen, des Rotors, insbesondere bezüglich des Stators 10, und/oder eine Amplitude des ersten Magnetfelds zu ermitteln. Die jeweilige Drehstellung wird auch als Rotorlage oder Rotorposition bezeichnet und kann beispielsweise genutzt werden, um die elektrische Maschine 11 in Abhängigkeit von der ermittelten Drehstellung zu betreiben, insbesondere zu regeln. Je höher eine Anzahl der Sensorelemente 28, desto höher ist eine Genauigkeit, mittels welcher das erste Magnetfeld und/oder die Drehstellung des Rotors ermittelt werden kann. Dadurch kann eine besonders präzise Regelung der elektrischen Maschine 11 gewährleistet werden.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass wenigstens eines der Blechsegmente des Blechpakets 14 und die Platine 24 an sich, das heißt für sich alleine betrachtet, baugleich, das heißt identisch ausgebildet sind, insbesondere zumindest im Hinblick auf deren jeweilige Außenkonturen, mithin außenumfangsseitige Formen. Vorzugsweise liegt die Anzahl der Sensorelemente 28 in einem Bereich von einschließlich 10 bis einschließlich 100. Ganz vorzugsweise ist die Platine 24 durch ein Spritzgussverfahren und/oder durch ein Laser-Direktstrukturierungsverfahren, mithin durch Laser-Direktstrukturierung (LDS) hergestellt. Dadurch, dass die Platine 24 vorzugsweise in Form eines Blechsegments des Blechpakets 14 ausgebildet ist, kann die Platine 24 zeit- und kostengünstig in die beispielsweise als Hairpin-Wicklung ausgebildete, gefertigte Wicklung 12 eingebracht werden, insbesondere derart, dass die vorliegend kammförmige Platine 24 in radialer Richtung der elektrischen Maschine 11 von außen nach innen zwischen die Längenbereiche L der Wicklung 12 gesteckt wird.
Die beispielsweise als Rotortemperatur ausgebildete Temperatur kann beispielsweise in Abhängigkeit von der Amplitude, insbesondere aus der Amplitude, berechnet werden, beispielsweise dadurch, dass sich die Amplitude proportional mit der Rotortemperatur verändert. Durch Erfassen des ersten Magnetfelds beziehungsweise des ersten magnetischen Flusses können beispielsweise Lagerschäden erkannt werden, und ein Lagesignal kann beispielsweise redundant erfasst werden. Außerdem kann beispielsweise eine Veränderung der elektrischen Maschine 11 durch Alterung, Temperatur oder sonstige Beschädigung kompensiert werden. Bewegende Teile oder Kupplungen sind im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen nicht mehr erforderlich und können somit vermieden werden, sodass eine besonders hoher Robustheit darstellbar ist.
3 zeigt ein Flussdiagramm zum Veranschaulichen des Verfahrens zum Ermitteln der Rotortemperatur. Durch einen Block 46 ist ein auch als Inverter bezeichneter Wechselrichter veranschaulicht, von welchem die elektrische Maschine 11 mit einem elektrischen Strom versorgbar ist oder versorgt wird. Mittels des elektrischen Stroms, mit welchem die elektrische Maschine 11 von dem Wechselrichter versorgt wird, wird beispielsweise die elektrische Maschine 11 betrieben, insbesondere derart, dass mittels des elektrischen Stroms das Statormagnetfeld und somit der Statorfluss erzeugt werden. Durch einen Block 48 ist ein Regler oder eine Regelung veranschaulicht, wobei beispielsweise mittels des Reglers oder mittels der Regelung die elektrische Maschine 11 geregelt und somit geregelt betrieben wird. Beispielsweise wird der Wechselrichter mittels des Reglers oder mittels der Regelung geregelt und somit geregelt betrieben, wobei beispielsweise über den Wechselrichter die elektrische Maschine 11 mittels des Reglers oder mittels der Regelung geregelt wird. Durch Pfeile 50 ist veranschaulicht, dass der elektrische Strom, mit welchem die elektrische Maschine 11, insbesondere der Stator 10, von dem Wechselrichter versorgt wird, ermittelt wird, beispielsweise dadurch, dass der elektrische Strom gemessen und/oder berechnet wird. Durch einen Block 52 ist eine Berechnung der Rotorzeitkonstante der elektrischen Maschine 11, insbesondere des Rotors, veranschaulicht. Die durch den Block 52 veranschaulichte Berechnung wird beispielsweise mittels der elektronischen Recheneinrichtung 13 durchgeführt, sodass beispielsweise mittels der elektronischen Recheneinrichtung 13 die Rotorzeitkonstante berechnet und dadurch ermittelt wird. Aus 3 ist erkennbar, dass beispielsweise bei der durch den Block 52 veranschaulichten Berechnung und somit mittels der elektronischen Recheneinrichtung 13 die Rotorzeitkonstante in Abhängigkeit von dem elektrischen Strom ermittelt, insbesondere berechnet und dadurch ermittelt, wird. Aus 3 ist anhand von Pfeilen 54 erkennbar, dass beispielsweise bei der durch den Block 52 veranschaulichten Berechnung und somit mittels der elektronischen Recheneinrichtung 13 die Rotorzeitkonstante in Abhängigkeit von dem mittels der Sensoreinrichtung 22 gemessenen Statorfluss ermittelt, insbesondere berechnet und dadurch ermittelt, wird. Ein Pfeil 56 veranschaulicht die zuvor genannte, auch als Rotorposition bezeichnete Drehstellung des Rotors, wobei die Drehstellung des Rotors beispielsweise mittels der elektronischen Recheneinrichtung 13 ermittelt wird.
Mittels der elektronischen Recheneinrichtung 13 wird beispielsweise in Abhängigkeit von dem gemessenen Statorstreufluss zumindest ein Teil des Rotorflusses und/oder zumindest eine Position zumindest eines Teils des Rotorflusses ermittelt, wobei die Position zumindest des Teils des Rotorflusses auch als Rotorflussposition bezeichnet wird. Beispielsweise wird bei der durch den Block 52 veranschaulichten Berechnung und somit mittels der elektronischen Recheneinrichtung 13 in Abhängigkeit von der Rotorflussposition die Rotorzeitkonstante ermittelt, insbesondere berechnet und dadurch ermittelt. Ganz insbesondere ist es vorgesehen, dass bei der Berechnung (Block 52) und somit mittels der elektronischen Recheneinrichtung 13 in Abhängigkeit von der Rotorflussposition und in Abhängigkeit von der Drehstellung (Rotorposition) die Rotorzeitkonstante ermittelt, insbesondere berechnet und dadurch ermittelt, wird.
Aus 3 ist erkennbar, dass beispielsweise die ermittelte Rotorzeitkonstante einem durch einen Block 58 veranschaulichten Beobachter zugeführt wird, welcher die Rotorzeitkonstante empfängt und beispielsweise als Luenberger-Beobachter ausgebildet ist. Außerdem wird beispielsweise die Rotorposition (Drehstellung) dem Beobachter zugeführt, welche beispielsweise die Drehstellung (Rotorposition) empfängt. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Regelung oder der Regler den Wechselrichter und/oder die elektrische Maschine 11 in Abhängigkeit von einem Ausgang des Beobachter regelt und dadurch betreibt. Der Ausgang des Beobachters kann die Rotortemperatur umfassen, sodass beispielsweise mittels des Beobachters die Rotortemperatur in Abhängigkeit von der Rotorzeitkonstante berechnet und dadurch ermittelt wird. Somit ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die elektrische Maschine 11 und/oder der Wechselrichter in Abhängigkeit von der ermittelten Rotortemperatur betrieben, insbesondere geregelt, wird.
Bezugszeichenliste

10: Stator
11: elektrische Maschine
12: Wicklung
13: elektronische Recheneinrichtung
14: Blechpaket
16: Doppelpfeil
18: Wickelkopf
20: Wickelkopf
22: Sensoreinrichtung
24: Platine
26: Platinenbereich
28: Sensorelement
30: Basisbereich
32: Doppelpfeil
34: strichpunktierte Linie
35: Seite
36: Doppelpfeil
38: Blechsegment
40: Blechsegment
42: Pfeil
44: Pfeil
46: Block
48: Block
50: Pfeil
52: Block
54: Pfeil
56: Pfeil
58: Block
AS1: axiale Stirnseite
AS2: axiale Stirnseite
L: Längenbereiche
L2: Längenbereiche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10 2008 018 843 A1 [0002]
DE 10 2021 202 982 A1 [0002]
FR 3033961 A1 [0002]
DE 10 2015 012 902 A1 [0002]
DE 10 2016 214 497 A1 [0002]
DE 10 2012 100 237 A1 [0002]
US 6042265 A [0002]
US 6316904 B1 [0002]
EP 2 704 311 A2 [0002]
DE 10 2014 213 103 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Ermitteln einer Temperatur eines Rotors einer den Rotor und einen Stator (10) aufweisenden, elektrischen Maschine (11), dadurch gekennzeichnet, dass: - mittels einer Sensoreinrichtung (22) der elektrischen Maschine (11) zumindest ein Teil eines magnetischen Flusses der elektrischen Maschine (11) gemessen wird; und - in Abhängigkeit von dem mittels der Sensoreinrichtung (22) gemessenen Teil des magnetischen Flusses die Temperatur des Rotors mittels einer elektronischen Rechenrichtung (13) berechnet und dadurch ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als der Teil des magnetischen Flusses ein Streufluss der elektrischen Maschine (11) gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als der magnetische Fluss der elektrischen Maschine (11) ein magnetischer Fluss des Stators (10) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass: - mittels der elektronischen Recheneinrichtung (13) in Abhängigkeit von dem mittels der Sensoreinrichtung (22) gemessenen Teil des magnetischen Flusses des Stators (10) zumindest eine Position zumindest eines Teils eines magnetischen Flusses des Rotors ermittelt wird; und - mittels der elektronischen Recheneinrichtung (13) in Abhängigkeit von der ermittelten Position die Temperatur berechnet und dadurch ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass: - mittels der elektronischen Recheneinrichtung (13) in Abhängigkeit von dem mittels der Sensoreinrichtung (22) gemessenen Teil des magnetischen Flusses der elektrischen Maschine (11) die Rotorzeitkonstante ermittelt wird; und - mittels der elektronischen Recheneinrichtung (13) in Abhängigkeit von der Rotorzeitkonstante die Temperatur berechnet und dadurch ermittelt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass: - mittels der elektronischen Recheneinrichtung (13) in Abhängigkeit von der ermittelten Position die Rotorzeitkonstante ermittelt wird; und - mittels der elektronischen Recheneinrichtung (13) in Abhängigkeit von der Rotorzeitkonstante die Temperatur berechnet und dadurch ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass: - mittels der elektronischen Recheneinrichtung (13) wenigstens eine Drehstellung des Rotors ermittelt wird; und - mittels der elektronischen Recheneinrichtung (13) in Abhängigkeit von der ermittelten Drehstellung die Temperatur berechnet und dadurch ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 in dessen Rückbezug auf Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass: - mittels der elektronischen Recheneinrichtung (13) in Abhängigkeit von der Drehstellung des Rotors die Rotorzeitkonstante ermittelt wird; und - mittels der elektronischen Recheneinrichtung (13) in Abhängigkeit von der Rotorzeitkonstante die Temperatur berechnet und dadurch ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als die elektrische Maschine (11) eine Asynchronmaschine verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (11) in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur betrieben wird.