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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Elektromotors sowie einen solchen Elektromotor.
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Ein als Permanentmagnet-Synchronmotor ausgebildeten Elektromotor weist einen Rotor mit Permanentmagneten auf. Magnetische Eigenschaften der Permanentmagnete, wie beispielsweise deren Remanenz und/oder deren Koerzitivfeldstärke, sind dabei von deren Temperatur abhängig.
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Um den Einfluss der Temperatur auf die Permanentmagnete für den Betrieb des Elektromotors berücksichtigen zu können ist es notwendig, die Temperatur des Rotors, insbesondere die Temperatur der Permanentmagnete zu ermitteln.
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Beispielsweise wird hierzu ein Temperatursensor für die direkte Erfassung der Rotor-Temperatur verwendet. Alternativ sind Verfahren bekannt, bei denen anhand eines thermischen Modells die Temperatur des Rotors berechnet wird. Die Verwendung eines separaten Temperatursensors bzw. die Berechnung der Temperatur anhand eines thermischen Modells sind allerdings vergleichsweise aufwändig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Verfahren zum Betrieb eines Elektromotors anzugeben. Insbesondere soll bei Betrieb des Elektromotors die Temperatur dessen Rotormagnete möglichst einfach berücksichtigt werden. Des Weiteren soll ein solcher Elektromotor, ein Computerprogramm für die Durchführung des Verfahrens und ein computerlesbares Medium angegeben werden, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist.
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Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Hinsichtlich des Elektromotors wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 5, hinsichtlich des Computerprogramms mit den Merkmalen des Anspruchs 7 und hinsichtlich des computerlesbaren Mediums mit den Merkmalen des Anspruchs 8 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei gelten die Ausführungen im Zusammenhang mit dem Verfahren sinngemäß auch für den Elektromotor, für das Computerprogramm und für das computerlesbare Medium, und umgekehrt.
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Das Verfahren dient dem Betrieb eines Elektromotors. Dieser umfasst einen Rotor sowie einen Stator. Insbesondere umfasst der Rotor Permanentmagnete, die beispielsweise als NdFeB-Permanentmagnete ausgebildet sind. Geeigneter Weise ist der Elektromotor ein Permanentmagnet-Synchronmotor.
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Verfahrensgemäß wird zunächst eine magnetische Feldstärke oder in analoger Weise hierzu eine magnetische Flussdichte eines Sensiermagnets bestimmt. Dieser ist zweckmäßiger Weise am Rotor angeordnet, insbesondere an diesem befestigt. Zur Erfassung wird ein beispielsweise als Hall-Sensor ausgebildeter Sensor verwendet, anhand der Messwerte des Sensors die magnetische Feldstärke oder die magnetische Flussdichte des Sensiermagnets bestimmt wird.
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Anhand der bestimmten magnetischen Feldstärke oder anhand der bestimmten magnetischen Flussdichte wird anschließend eine Temperatur des Sensiermagnets bestimmt. Hierzu wird beispielsweise eine Tabelle, eine Funktion oder eine Kennlinie verwendet, die der magnetischen Feldstärke bzw. der bestimmten magnetischen Flussdichte eine Temperatur, insbesondere eine Temperatur des Sensiermagnets, zuordnet.
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Zweckmäßig ist die Tabelle, die Funktion oder die Kennlinie auf einer Steuereinheit des Elektromotors hinterlegt.
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Die Tabelle, die bzw. die Kennlinie wurde zweckmäßig anhand einer Kalibriermessung erstellt, die im Zuge der Endmontage des Elektromotors vorgenommen wurde. Also wurde der Temperaturgang der Feldstärke bzw. des magnetischen Flusses bei dieser Kalibriermessung erfasst.
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Alternativ zur Zuordnung der bestimmten magnetischen Feldstärke bzw. der bestimmten magnetischen Flussdichte zur Temperatur des Sensiermagnets anhand einer (einzigen) Tabelle, Funktion oder Kennlinie, erfolgt die Zuordnung in zwei Schritten. Hierbei wird zunächst der vom Sensor erfassten, also im Sensorbereich detektierten, magnetischen Feldstärke bzw. magnetischen Flussdichte eine magnetischen Feldstärke bzw. magnetischen Flussdichte des Sensiermagnets selbst zugeordnet, wobei anschließend der magnetischen Feldstärke bzw. magnetischen Flussdichte des Sensiermagnets die Temperatur des Sensiermagnets zugeordnet wird. Beispielsweise werden für diese beiden Zuordnungen jeweils eine Tabelle, Funktion oder Kennlinie verwendet.
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Die Temperatur des Sensiermagnets korreliert stark mit der Temperatur der Permanentmagnete. So kann und/oder wird die Temperatur des Sensiermagnets als die Temperatur des Rotors und insbesondere als die Temperatur der Permanentmagnete angenommen.
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Zusammenfassend wird über den Temperaturgang der erfassten Feldstärke bzw. anhand der erfassten Flussdichte auf die Temperatur des Sensiermagnets und damit einhergehen auf die Temperatur der Permanentmagnete des Rotors geschlossen.
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Vorteilhaft ist eine derartige Bestimmung der Temperatur, insbesondere in Hinblick auf eine Rechenlast der Steuereinheit, vergleichsweis aufwandsarm. Diese Methode bildet weiterhin eine vergleichsweise genaue, direkte Sensiermethode zur Bestimmung der Temperatur, allerdings ohne die Verwendung eines, insbesondere zusätzlichen, Temperatursensors zur direkten Temperaturerfassung des Rotors.
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Verfahrensgemäß wird der Elektromotor in Abhängigkeit der bestimmten Temperatur des Sensiermagnets gesteuert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird im Zuge der Steuerung des Elektromotors der oder jeder Phasenstrom für die Bestromung von Spulen des Stators in Abhängigkeit der bestimmten Temperatur eingestellt. Auf diese Weise ist der Einfluss der Temperatur auf die magnetischen Eigenschaften der Permanentmagnete für den Betrieb des Elektromotors berücksichtigt.
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Insbesondere wird hierbei ein Maximalwert für den Phasenstrom für eine oder für jede der Phasen in Abhängigkeit der bestimmten Temperatur des Sensiermagnets eingestellt. Da die Koerzitivfeldstärke eines Magneten temperaturabhängig ist und insbesondere umso kleiner ist, umso großer die Temperatur des Magneten ist, ist mittels der Vorgabe des Maximalwertes für den Phasenstrom und damit einhergehend eine Feldstärke der von den Spulen des Stators erzeugten Magnetfelds, entsprechend begrenzt. Somit ist vorteilhaft eine Demagnetisierung oder ein eine partielle Demagnetisierung der Permanentmagnete reduziert oder sogar vermieden.
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Zusammenfassen erfolgt ein Derating für den Phasenstrom der jeweiligen Phase in Abhängigkeit der bestimmten Temperatur des Sensiermagnets.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird als Sensor ein Rotorlagesensor und/oder als Sensiermagnet ein Magnet für den Rotorlagesensor verwendet. Der Sensiermagnet ist zweckmäßig and er Rotorwelle angeordnet. Insbesondere ist der Sensiermagnet nicht innerhalb des Blechpaket des Rotors aufgenommen und/oder nicht dazu vorgesehen, ein Drehmoment in Zusammenwirkung mit einem von den Spulen des Stators erzeugten Magnetfelds zu erzeugen. Der Sensiermagnet ist zusammenfassend ein Magnet für die Bestimmung der Rotorlage anhand des Rotorlagensensors.
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Der Sensiermagnet ist zweckmäßig ein Permanentmagnet.
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Zur Bestimmung der magnetischen Feldstärke und/oder der magnetischen Flussdichte des Sensiermagnets wird insbesondere die Amplitude des Messignals, insbesondere die Amplitude der am Sensor bewirkten Hall-Spannung verwendet, um die magnetische Flussdichte bzw. die magnetische Feldstärke des Sensiermagnets zu bestimmen.
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Zusammenfassend erfüllt der Rotorlagensensor hierbei eine Doppelfunktion. Zum einen wird er für die Bestimmung der Rotorlage (Rotorposition, Winkelposition) verwendet, zum anderen dient dieser zur Bestimmung der Temperatur der Sensiermagnets.
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Weiter zusammenfassend wird vorteilhaft eine bereits bestehende Motorkomponente, nämlich der Rotorlagensensor auch für die Bestimmung der Temperatur des Sensiermagnets und für die Bestimmung der Temperatur der Rotormagnete genutzt.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Elektromotor. Dieser ist gemäß dem Verfahren in einer der oben dargestellten Varianten betreibbar und/oder betrieben.
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Der insbesondere als Innenläufer und/oder als ein Permanentmagnet-Synchronmotor ausgebildete Elektromotor umfasst also einen Stator sowie einen Rotor. Der Rotor weist beispielsweise als NdFeB-Permanentmagnete ausgebildete Permanentmagnete auf. Weiterhin umfasst der Elektromotor einen Sensiermagnet, welcher am Rotor angeordnet, insbesondere an diesem befestigt ist.
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Weiterhin umfasst der Elektromotor einen Sensor zur Erfassung des Magnetfeldes des Sensiermagnets, insbesondere dessen Flussdichte und/oder dessen Feldstärke.
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Eine Steuereinheit (Steuereinrichtung) des Elektromotors, insbesondere ausgebildet aus Controller, dient zur Durchführung der Verfahrensschritte des Verfahrens in einer der oben genannten Variante. Zweckmäßig ist die Steuereinheit signal- und/oder übertragungstechnisch mit dem Sensor verbunden. Insbesondere werden der Steuereinheit die Messwerte oder entsprechende Signale vom Sensor zugeführt, anhand dieser von der Steuereinheit ausgewertet, wobei die magnetische Flussdichte und/oder die Feldstärke des Sensiermagnets und anhand dessen die Temperatur des Sensiermagnets bestimmt wird.
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Zusammenfassend umfasst der Elektromotor Mittel, die so angepasst sind, dass sie die Schritte des Verfahrens ausführen.
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Wie im Zusammenhang mit dem Verfahren bereits ausgeführt wurde, ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Sensor ein Rotorlagensensor ist, wobei der Sensiermagnet ein an einer Rotorwelle des Rotors befestigter Magnet für den Rotorlagensensors, insbesondere für die Bestimmung der Rotorlage (Rotorposition), ist.
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Der Sensiermagnet ist bevorzugt also keiner der Permanentmagnete, die zur Erzeugung eines Drehmoments vorgesehen sind. Dieser dient vielmehr auch dazu, die Rotorposition zu bestimmen. Insbesondere ist der Sensiermagnet außerhalb eines Rotorblechpakets, in oder an welchem die Permanentmagnete angeordnet sind, an einer Rotorwelle des Rotors angeordnet.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogramm, welches Befehle umfasst, die bewirken, dass der Elektromotor die Verfahrensschritte des oben dargestellten Verfahrens durchführen.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein computerlesbares Medium, insbesondere ein nicht-flüchtiger Speicher wie beispielsweise eine CD, eine DVD, ein Flash-Speicher oder dergleichen, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
- 1 schematisch einen Elektromotor mit einem Rotor, an dessen Rotorwelle ein Sensiermagnet für einen Rotorlagensensor angeordnet ist, und
- 2 in einem Flussdiagramm einen Verfahrensablauf zum Betrieb des Elektromotors, wobei die magnetische Feldstärke des Sensiermagnets bestimmt wird.
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Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In der 1 ist schematisch eine Elektromotor 2 dargestellt. Dieser ist ein als Innenläufer ausgebildeter Permanentmagnet-Synchronmotor. Der Elektromotor 2 umfasst einen Rotor 4 sowie einen Stator 6. Der Rotor 4 umfasst ein Rotorblechpaket 8a, in oder an welchem Permanentmagnete 8b angeordnet, insbesondere aufgenommen, sind. Die zweckmäßig als NdFeB-Permanentmagnete ausgebildeten Permanentmagnete 8b dienen dabei zur Erzeugung eines Drehmoments bei einer entsprechenden Wechselwirkung mit einem Magnetfeld, das bei der Bestromung von Spulen (nicht weiter dargestellt) des Stators 6 mit einem Phasenstrom I erzeugt wird.
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Des Weiteren umfasst der Rotor 4 eine um eine Drehachse R drehbar gelagerte Rotorwelle 10.
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An der Rotorwelle 10, hier beispielsweise am axialen Ende der Rotorwelle 10, ist ein Sensiermagnet 12 angeordnet. Dessen Nordpol und dessen Südpol sind in einer Ebene parallel zur Drehachse angeordnet.
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Des Weiteren umfasst der Elektromotor 2 einen Sensor 14 zur Erfassung des Magnetfeldes, insbesondere dessen magnetische Flussdichte und/oder dessen magnetische Feldstärke H, des Sensiermagnets 12. Der Sensor 14 ist ein Rotorlagesensor, anhand dessen auch eine Winkelposition des Rotors 4 bestimmt werden kann. Zweckmäßig ist der Sensor 14 bzw. der Rotorlagensensor ein Hall-Sensor oder umfasst einen solchen.
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Der Sensor 14 ist signal- und/oder datenübertragungstechnisch mit einer Steuereinheit 16, insbesondere ausgebildet als Controller, verbunden. Die Steuereinheit 16 dient zur Durchführung des Verfahrens gemäß der 2. Hierzu umfasst diese geeigneter Weise ein als, insbesondere nicht flüchtigen Speicher ausgebildetes, computerlesbares Medium 18, auf dem ein Computerprogramm 20 hinterlegt ist. Das Computerprogramm 20 umfasst Befehle, die bewirken, dass der Elektromotor 2 ein Verfahren, wie es weiter unten im Zusammenhang mit der 2 dargestellt wird, ausführt.
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In der 2 ist ein Flussdiagramm dargestellt, das einen Verfahrensablauf zum Betrieb des Elektromotors 2 repräsentiert. Hierbei wird in einem ersten Schritt I anhand des Sensors 14 das Magnetfeld des Sensiermagnets 12 erfasst. Im Sensor 14 wird ein Messsignal, beispielsweise eine Hall-Spannung, erzeugt. Dieses Messignal oder dem Messsignal entsprechende Daten Sensordaten (Messdaten) werden vom Sensor 14 an die Steuereinheit 16 weitergeleitet.
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Anhand der Steuereinheit 16 wird aus den Messdaten eine magnetische Flussdichte B oder analog hierzu eine magnetische Feldstärke H des Sensiermagnets bestimmt. Hierzu wird beispielsweise der Amplitude des Messsignals, insbesondere der Hallspannung, die magnetische Flussdichte B oder die magnetische Feldstärke H zugeordnet.
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Das Computerprogramm 20 umfasst entsprechend Befehle, die bewirken, dass dem Messsignal, insbesondere dessen Amplitude die magnetische Flussdichte B bzw. die magnetische Feldstärke H zugeordnet wird, also dass die magnetische Flussdichte B oder eine magnetische Feldstärke H des Sensiermagnets 12 bestimmt wird.
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In einem anschließenden zweiten Schritt II wird, insbesondere mittels der Steuereinheit 16, anhand der bestimmten Feldstärke H oder anhand der magnetischen Flussdichte B eine Temperatur T des Sensiermagnets 12 bestimmt. Hierzu ist beispielsweise eine Kennlinie auf dem computerlesbaren Medium 18 hinterlegt, welche dem der bestimmten Feldstärke H oder der magnetischen Flussdichte B die Temperatur T zuordnet.
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Das Computerprogramm 20 umfasst entsprechend Befehle, die bewirken, dass der bestimmten Feldstärke H oder der magnetischen Flussdichte B die Temperatur T, insbesondere anhand der Kennlinie, zugeordnet wird.
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In einem darauffolgenden dritten Schritt III wird der Elektromotor 2 in Abhängigkeit der bestimmten Temperatur T des Sensiermagnets 12 gesteuert. Hierbei wird ein Maximalwert Imax für einen Phasenstrom I für eivorgegeben, wobei der Maximalwert Imax abhängig von der bestimmten Temperatur ist und/oder vorgegeben wird. Beispielsweise wird der Maximalwert Imax anhand einer vorgegebenen Derating-Kurve berechnet. Insbesondere wird für einen vorgegebenen Temperaturbereich für den Wert der Temperatur T der Maximalwert Imax umso kleiner gewählt, je größer die Temperatur T ist.
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Das Computerprogramm 20 umfasst entsprechend Befehle, die bewirken, dass in Abhängigkeit der Temperatur T der Maximalwert Imax bestimmt wird und/oder dass der jeweilige Phasenstrom derart eingestellt wird, dass dieser den Maximalwert Imax nicht überschreitet.
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Zusammenfassend wird der Phasenstrom in Abhängigkeit der Temperatur T eingestellt.
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Zusammenfassend wird als Sensiermagnet 12 der an der Rotorwelle 10 angeordnete Magnet für die Bestimmung der Rotorlage anhand des Rotorlagesensors, also des Sensors 14, verwendet.
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Weiter zusammenfassend dient die Steuereinheit 16 zum Durchführen des Verfahrens zum Durchführen des Verfahrens nach 2.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können hieraus im Rahmen der Ansprüche auch andere Varianten der Erfindung vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen und/oder in den Ansprüchen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Elektromotor
- 4
- Rotor
- 6
- Stator
- 8a
- Rotorblechpaket
- 8b
- Blechpaket des Rotors
- 10
- Rotorwelle
- 12
- Sensiermagnet
- 14
- Sensor
- 16
- Steuereinheit
- 18
- Computerlesbares Medium
- 20
- Computerprogramm
- R
- Drehachse
- I
- Phasenstrom
- Imax
- Maximalwert
- I
- Bestimmen der magnetischen Flussdichte oder der magnetischen Feldstärke
- II
- Bestimmen der Temperatur des Sensiermagnets
- III
- Einstellen des Phasenstroms