DE10232294A1

DE10232294A1 - Verfahren zur Bestimmung von elektromagnetischen Verlusten in einer kollektorlosen elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE10232294A1
Application number: DE2002132294
Authority: DE
Inventors: Rik W. Prof. Dr. De Doncker; Robert B. Dipl.-Ing. Inderka
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2002-07-16
Filing date: 2002-07-16
Publication date: 2004-02-05

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Bestimmung von elektromagnetischen Verlusten in einer kollektorlosen elektrischen Maschine mit einer Anzahl von Spulenwicklungen. DOLLAR A Es wird vorgeschlagen, dass, beginnend zu einem ersten Zeitpunkt, eine Spannung an eine Spulenwicklung angelegt wird, wobei der vom ersten bis zu einem zweiten Zeitpunkt durch die Spulenwicklung fließende Strom und die in diesem Zeitpunkt an die Spulenwicklung angelegte Spannung erfasst und aus den erhaltenen Werten die elektromagnetischen Verluste bestimmt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von elektromagnetischen Verlusten in einer kollektorlosen elektrischen Maschine und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Der Wirkungsgrad ist ein wichtiges Charakteristikum einer elektrischen Maschine. Der Wirkungsgrad ergibt sich aus dem Quotienten aus der von der elektrischen Maschine abgegebenen Leistung und der in die elektrische Maschine eingespeisten Leistung. Die in die elektrische Maschine eingespeiste Leistung kann ohne weiteres aus der an die Maschine angelegten Spannung und dem durch die Maschine fließenden Strom bestimmt werden. Die genaue Bestimmung der von der elektrischen Maschine abgegebenen Leistung erfolgt üblicherweise über die Bestimmung des Drehmoments in Verbindung mit der Rotationsgeschwindigkeit des Abtriebs der elektrischen Maschine. Neben dem Wirkungsgrad sind auch die elektromagnetischen Verluste innerhalb der elektrischen Maschine ein wichtiges Charakteristikum der Maschine. Sie erlauben einen Rückschluss auf den Zustand der Maschine und sind damit ein wichtiges Kriterium zur Abschätzung der Reparaturbedürftigkeit der Maschine. Durch Kenntnis des Wirkungsgrads kann auf die Verluste rückgeschlossen werden.
Bei vielen elektrischen Maschinen ist der Abtrieb nicht frei zugänglich, wie beispielsweise bei einer Maschine, an die ein Getriebe direkt angeflanscht oder eine Startervorrichtung angeordnet ist. Zur Messung der abgegebenen Leistung oder der elektromagnetischen Verluste muss bei diesen Maschinen der Abtrieb zur Messung des Drehmoments freigelegt werden, was mit einem erheblichen Aufwand verbunden ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, insbesondere ein Verfahren zur Bestimmung von elektromagnetischen Verlusten in einer kollektorlosen elektrischen Maschine anzugeben, bei dem auf die Messung des Drehmoments verzichtet werden kann.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Bestimmung von elektromagnetischen Verlusten in einer kollektorlosen elektrischen Maschine mit einer Anzahl von Spulenwicklungen. Es wird vorgeschlagen, beginnend zu einem ersten Zeitpunkt eine Spannung an eine Spulenwicklung anzulegen, wobei der vom ersten bis zu einem zweiten Zeitpunkt durch die Spulenwicklung fließende Strom und die in diesem Zeitraum an die Spulenwicklung angelegte Spannung erfasst und aus den erhaltenen Werten die elektrischen Verluste bestimmt werden.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass sich die Leistungs- oder Energieverluste in einer elektrischen Maschine zusammensetzen aus mechanischen Verlusten, wie beispielsweise Reibungsverlusten, und elektromagnetischen Verlusten. Die mechanischen Verluste können mit mechanischen Verfahren bestimmt werden. Die elektromagnetischen Verluste setzen sich zusammen aus den Gleichstromwärmeverlusten, den Wechselstromwärmeverlusten und den Ummagnetisierungsverlusten. Die elektromagnetischen Verluste in einer Spulenwicklung – oder anders ausgedrückt: in einer Phase – einer elektrischen Maschine können durch eine äquivalente Verlustspannung u_v _,em ausgedrückt werden, die wiederum als ein Produkt aus dem die Spulenwicklung durchfließenden Phasenstrom i_ph und einem elektromagnetischen Wirkwiderstand R angegeben werden kann. Die elektromagnetische Verlustleistung in der Spulenwicklung ergibt sich somit zu Pv,em = (Riph)iph = (Rdc + Rac + Rfe)iph 2 (1) mit
P_v,em: elektromagnetische Verlustleistung;
R: elektromagnetischer Wirkwiderstand;
R_dc: Gleichstromwiderstand;
R_ac: Wechselstromwiderstand; R_fe: Ummagnetisierungswiderstand;
i_ph: Phasenstrom durch die Spulenwicklung.
Die magnetische Flussverkettung Ψ durch eine Spulenwicklung, die sich aus dem magnetischen Fluss einer Leiterschleife multipliziert mit der Windungszahl der Spulenwicklung ergibt, wird, wie allgemein aus der Elektrodynamik bekannt, dargestellt als Ψph(t) = ʃ(uph(t) – Riph(t))dt (2) mit
Ψ_p _h: magnetische Flussverkettung; u_ph: an die Spulenwicklung angelegte Phasenspannung.
Die Flussverkettung, welche eine nicht direkt messbare Größe darstellt, berechnet sich aus dem zeitlichen Integral über die Phasenspannung u_ph abzüglich der an der Phase abfallenden Verlustspannung u_v,em = Ri_ph.
Bei einer kollektorlosen elektrischen Maschine, wie beispielsweise einem bürstenlosen Gleichstrommotor oder einer geschalteten Reluktanzmaschine, wird an eine Spulenwicklung der elektrischen Maschine für eine bestimmte Dauer eine Phasenspannung u_ph angelegt oder in der Spulenwicklung erzeugt. Die kollektorlose elektrische Maschine kann hierbei als Motor oder als Generator verwendet werden. Im Folgenden wird zwischen diesen beiden Arten nicht weiter unterschieden, ohne dass eine Einschränkung auf nur den Motor- oder Generatorbetrieb damit verbunden wäre. Durch die an die Spulenwicklung angelegte Phasenspannung u_ph fließt ein Phasenstrom i_ph durch die Spulenwicklung, der die magnetische Flussverkettung Ψ erzeugt. Nach Beendigung des Anlegens der Phasenspannung u_ph baut sich der Phasenstrom i_ph und damit auch die magnetische Flussverkettung Ψ in der Spulenwicklung wieder ab, sodass nach einem bestimmten Zeitraum die Flussverkettung Ψ aus der Spulenwicklung gewichen ist. Aus der Bedingung, dass die Flussverkettung Ψ der Spulenwicklung gleich null sein muss, wenn der Phasenstrom i_ph verloschen ist, ergibt sich
wobei T_ver der Verlöschenszeitpunkt ist, an dem die Flussverkettung Ψ der Spulenwicklung gleich null ist. Durch die Auflösung dieser Gleichung nach dem elektromagnetischen Wirkwiderstand R einer Spule erhält man
Zur Bestimmung des elektromagnetischen Wirkwiderstands R der Spule werden folglich die zeitlichen Integrale aus Phasenspannung u_ph und Phasenstrom iph benötigt . Da der Phasenstrom und die Phasenspannung leicht an den Klemmen der elektrischen Maschine messbare Größen sind, ist der elektromagnetische Wirkwiderstand R und somit auch der elektromagnetische Verlust der Spulenwicklung leicht ermittelbar. Aus der Summierung der elektromagnetischen Verluste einer Spulenwicklung über alle Spulenwicklungen erhält man die elektromagnetischen Verluste der kollektorlosen elektrischen Maschine. Die elektromagnetischen Verluste können hierbei als Verlustenergie E_v,em, Verlustleistung P_v,em, Verlustspannung u_v,em oder in anderen physikalischen Dimensionen angegeben werden.
Der zweite Zeitpunkt, bis zu dem der durch die Spulenwicklung fließende Strom i_ph und die an die Spulenwicklung angelegte Spulenspannung u_ph auf integriert wird und der in den Gleichungen (3) und (4) mit T_ver angegeben ist, kann ein beliebiger Zeitpunkt sein, an dem die Flussverkettung Ψ einen bekannten konstanten Wert annimmt. Die nach dem elektromagnetischen Wirkwiderstand R aufgelöste Gleichung muss dann mit diesem konstanten Wert entsprechend angepasst werden.
Mit diesem Verfahren ist es ohne großen Aufwand möglich, die elektromagnetischen Verluste in einer kollektorlosen elektrischen Maschine in periodischen Zeitabständen zu bestimmen. Aus den erhaltenen Werten kann auf den Zustand der elektrischen Maschine, auf den Wirkungsgrad oder auf das mittlere Drehmoment des Abtriebs der elektrischen Maschine rückgeschlossen werden. Da das Verfahren unabhängig von Einflüssen von Maschinenparametern während des Betriebs ist, wie zum Beispiel der Temperatur, ist das Verfahren jederzeit während des Betriebs der elektrischen Maschine ohne komplizierte Vorbedingungen durchführbar.
Zweckmäßigerweise wird der zweite Zeitpunkt an einen solchen Zeitpunkt gelegt, an dem kein Strom durch die Spulenwicklung fließt. Da bei fehlendem Strom i_ph auch die Flussverkettung Ψ verschwindet, ergibt sich der elektromagnetische Verlust einer Spulenwicklung zu einem solchen Zeitpunkt allein aus den bis zum zweiten Zeitpunkt aufintegrierten Werten der Phasen spannung u_ph und des Phasenstroms i_ph. Hierdurch ist das Verfahren besonders einfach durchzuführen.
In einfacher weise können die elektromagnetischen Verluste in Form eines elektromagnetischen Wirkungsgrads η_em bestimmt werden. Der elektromagnetische Wirkungsgrad η_em ergibt sich aus der aufgenommenen Leistung P_ph der Phase oder Spulenwicklung abzüglich der elektromagnetischen Verlustleistung P_v,em der Phase geteilt durch die aufgenommene Leistung P_ph der Phase jeweils multipliziert mit der Anzahl N_ph der Phasen der elektrischen Maschine. Es ergibt sich hieraus in einfacher Relation
mit
η_em: elektromagnetischer Wirkungsgrad;
P_ph: aufgenommene Leistung einer Phase;
P_v,em: elektromagnetische Verlustleistung einer Phase.
Da es möglich ist, den elektromagnetischen Wirkwiderstand R als Funktion der Integrale über die Phasenspannung und den Phasenstrom darzustellen, kann der elektromagnetische Wirkungsgrad als eine Funktion dargestellt werden, die einzig vom Phasenstrom und von der Phasenspannung abhängig ist. Eine explizite Angabe des elektromagnetischen Wirkwiderstands oder des elektromagnetischen Verlusts ist damit nicht notwendig. Es lässt sich somit auf einfache Weise der elektromagnetische Wirkungsgrad der elektrischen Maschine durch die Bestimmung der elektromagnetischen Wirkungsgrade aller Spulen der elektrischen Maschine bestimmen. Der elektromagnetische Wirkungsgrad der elektrischen Maschine wird im Folgenden als eine weitere Darstellung des elektromagnetischen Verlusts angesehen.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung werden die elektromagnetischen Verluste aller angeschalteten Spulenwicklungen der elektrischen Maschine ermittelt und daraus die elektromagnetischen Verluste der elektrischen Maschine bestimmt. Während des Betriebs der elektrischen Maschine fließt nicht durch alle Spulenwicklungen der elektrischen Maschine Strom, sondern nur durch die angeschalteten Spulenwicklungen. Sie tragen zum Drehmoment, das auf einen Rotor ausgeübt wird, bei. Da nur die stromführenden, also angeschalteten Spulenwicklungen zum elektromagnetischen Verlust der elektrischen Maschine beitragen, ist es ausreichend, nur die elektromagnetischen Verluste der angeschalteten Spulenwicklungen zu bestimmen. Hierdurch ist das Verfahren besonders einfach durchzuführen.
In einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung wird das über den Zeitraum vom ersten bis zum zweiten Zeitpunkt gemittelte Drehmoment, das von der Spulenwicklung auf einen Rotor ausgeübt wurde, ermittelt. Das gemittelte Drehmoment ist in einfacher Weise aus der von der elektrischen Maschine aufgenommenen Leistung in Verbindung mit dem Wirkungsgrad oder den Verlusten der elektrischen Maschine ermittelbar. Gegebenenfalls werden die mechanischen Verluste, wie beispielsweise Reibungswiderstände, ebenfalls berücksichtigt. Da die elektromagnetischen Verluste jeweils periodisch ermittelt werden, wird jeweils das über eine Periode gemittelte Drehmoment bestimmt. Um zum Gesamtdrehmoment der elektrischen Maschine zu gelangen, ist über die Drehmomente der einzelnen Spulenwicklungen zu summieren. Hierbei ist es wiederum ausreichend, nur die angeschalteten, also stromführenden Spulenwicklungen zu berücksichtigen. Das Drehmoment einer Spulenwicklung oder das Gesamtdrehmoment kann somit auf einfache Weise bestimmt werden.
Die Phasenspannung und der Phasenstrom können digital aufintegriert werden. Besonders einfach geschieht die Integration der an die Spulenwicklung angelegten Spannung über den Zeit raum vom ersten bis zum zweiten Zeitpunkt analog. Dies kann beispielsweise durch eine Integrationseinheit mit einem Kondensator und einem Operationsverstärker in Verbindung mit einer Rücksetzlogik zum Zurücksetzten der Integrationseinheit geschehen. Auch der durch die Spulenwicklung fließende Strom kann in einfacher Weise analog über den Zeitraum vom ersten bis zum zweiten Zeitpunkt aufintegriert werden. Es ist eine besonders schnelle und zuverlässige Aufintegration von Strom und Spannung mit preisgünstigen elektrischen Bauteilen möglich.
Aus den aufintegrierten Werten von Strom und Spannung kann mit Hilfe einer Recheneinheit der elektromagnetische Wirkwiderstand oder der elektromagnetische Verlust und daraus direkt, beispielsweise digital, der elektromagnetische Wirkungsgrad berechnet werden. In einer besonders schnell und kostengünstig durchführbaren Variante wird jedoch von einem dritten bis zu einem vierten Zeitpunkt der durch die Spulenwicklung fließende Strom und die in diesem Zeitraum an die Spulenwicklung angelegte Spannung erfasst, und der elektromagnetische Wirkungsgrad wird aus den erhaltenen Werten in Verbindung mit dem bereits ermittelten elektromagnetischen Wirkwiderstand oder elektromagnetischen Verlusten bestimmt. So wird beispielsweise in einer ersten elektrischen Periode durch Integration von Spannung u_ph und Strom i_ph zuerst der elektromagnetische Wirkwiderstand R bestimmt. Die Integration kann hierbei in analoger Form schnell und einfach geschehen, sodass für die Recheneinheit nur noch die Quotientenbildung aus dem Integral über die Spannung und dem Integral über den Strom bleibt. Der aus dieser Quotientenbildung erhaltene Wert des Wirkwiderstands R kann beispielsweise in analoger Form wieder in eine analoge Multiplikations- und Integrationsschaltung eingespeist werden, in der in einer späteren elektrischen Periode der Wert gemäß Gleichung (5) wiederum analog verarbeitet wird. Zur Ermittlung des elektromagnetischen Wirkungsgrads verbleibt der Recheneinheit somit nach der späteren elektrischen Periode wiederum nur die Quotientenbildung gemäß Gleichung (5). Hierdurch entfallen zeitaufwendige Re chenvorgänge innerhalb der Recheneinheit, sodass das Verfahren in einfacher, schneller und zuverlässiger Weise und mit preisgünstigen elektronischen Bauteilen durchführbar ist.
Zweckmäßigerweise wird zu einem zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt liegenden Zeitpunkt die an die Spulenwicklung angelegte Spannung negativ zur zum ersten Zeitpunkt angelegten Spannung gewählt. Hierdurch kann eine gezielte Abmagnetisierung der Spule erreicht werden, sodass der Strom i_ph und auch der magnetische Fluss Ψ durch die Spule beispielsweise verschwinden. Es wird somit auf einfache Weise ein Zeitpunkt erreicht, an dem der magnetische Fluss Ψ einen definierten Wert annimmt und die Integration von Strom und Spannung somit beendet werden kann.
Es ist möglich, den ersten und auch den zweiten Zeitpunkt innerhalb einer elektrischen Periode zu legen. Hierdurch werden die elektromagnetischen Verluste der Spulenwicklung innerhalb dieser elektrischen Periode erfasst. Auf diese Weise können die elektromagnetischen Verluste einer jeden elektrischen Periode ermittelt und somit eine sehr schnelle Taktung der Verlustermittlung erreicht werden. Eine elektrische Periode umfasst den Zeitraum, in dem die Spulenwicklung angeschaltet wird, Strom durch sie fließt, eine Flussverkettung aufgebaut und ein Drehmoment auf einen Zahn eines Rotors ausgeübt wird, dann der Strom und die Flussverkettung wieder abgebaut und die Spulenwicklung abgeschaltet wird, bis ein folgender Zahn des Rotors wieder in einer Position ist, in der durch eine neue Flussverkettung durch die Spule wieder ein positives Drehmoment auf den Rotorzahn ausgeübt werden kann. In der folgenden elektrischen Periode wird die Spulenwicklung wieder angeschaltet, eine Flussverkettung aufgebaut, usw. Bevorzugt liegt zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt wenigstens eine volle elektrische Periode. Der Strom und die Spannung der Spule werden auf diese Weise über wenigstens zwei elektrische Perioden aufintegriert, bevor der elektromagnetische Wirkwiderstand und daraus die elektromagnetischen Verluste der Spulenwicklung bestimmt werden. Hierdurch wird ein besonders zuverlässiges Ergebnis erreicht und der Recheneinheit gegebenenfalls mehr Zeit für die Berechnungsvorgänge gelassen.
Mit Vorteil wird an die Spulenwicklung angelegte Spannung über einen Zeitraum, an dem die Spulenwicklung unbestromt ist, aufintegriert, und der erhaltene Wert wird zur Kalibrierung eines Messglieds verwendet. Weist ein Messglied, beispielsweise zum Erfassen der an die Spulenwicklung angelegten Spannung, einen Messfehler auf, zum Beispiel einen Offset, so wird ein solcher Messfehler in einer Integration ebenfalls aufintegriert und führt zu einem relativ großen Fehler in einem späteren Berechnungsergebnis. Bei einer Aufintegration der an die Spulenwicklung angelegten Spannung über einen Zeitraum, an dem die Spulenwicklung unbestromt ist, sollte das Ergebnis bei korrekt arbeitendem Messglied null sein. Durch Überprüfung des erhaltenen Integrationswerts und eine entsprechende Justierung des Messglieds wird das Messglied auf einen fehlerfreien Zustand kalibriert. Hierdurch kann auf einfache Art und Weise während des Betriebs der elektrischen Maschine ein oder mehrere Messglieder überprüft und gegebenenfalls korrigiert werden. Die Zuverlässigkeit der Messung wird somit erhöht.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist eine Auswerteeinheit auf, mit der das Verfahren durchgeführt werden kann. Die Auswerteeinheit weist zweckmäßigerweise eine digitale oder analoge Integrationseinheit zur Integration der Phasenspannung und des Phasenstroms sowie eine Recheneinheit auf. Die Recheneinheit kann dazu ausgelegt sein, aus den Integralen über Strom und Spannung den elektromagnetischen Wirkwiderstand durch Quotientenbildung oder durch eine der Gleichung (5) äquivalente Rechenoperation zu bestimmen. Weiterhin weist die Auswerteeinheit zweckmäßigerweise eine Multiplikations- und Integrationseinheit zur Integration des Produkts aus Phasenspannung und Phasenstrom auf. Vorteilhafterweise weist die Auswerteeinheit eine Multiplikations- und Integrationseinheit auf, mit der eine In tegration gemäß dem Zähler aus der Gleichung (5) oder eine äquivalente Integration in analoger Weise durchgeführt werden kann. Hierzu ist die Recheneinheit in der Lage, einen den elektromagnetischen Wirkwiderstand repräsentierenden Wert in analoger Form in die Integrationseinheit einzuspeisen. Auf diese Weise kann die Integration sowohl des elektromagnetischen Wirkwiderstands als auch des elektromagnetischen Verlusts in analoger Weise vollzogen werden, was der Vorrichtung eine hohe Zuverlässigkeit und Schnelligkeit verleiht.
Vorteilhafterweise weist die Vorrichtung eine Filtereinheit zur Eliminierung von extremen Ergebniswerten auf. Durch Messfehler oder Signalstörungen ist es möglich, dass manche Ergebniswerte des elektromagnetischen Wirkwiderstands, der elektromagnetischen Verluste oder des elektromagnetischen Wirkungsgrads sehr viel höher oder niedriger ausfallen als die sie zeitlich umgebenden Werte. Die Filtereinheit ist in der Lage, solche von benachbarten Werten extrem abweichende Ergebniswerte oder ein vorgegebenes Band verlassende Extremwerte herauszufiltern. Hierdurch wird eine hohe Zuverlässigkeit der Vorrichtung erreicht.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Dabei zeigen:
1 Eine schematische Abbildung eines Rotors und eines Stators einer geschalteten Reluktanzmaschine,
2 ein Spannungsdiagramm einer elektrischen Maschine,
3 den Phasenstromverlauf und den Verlauf der Phasenspannung während einer elektrischen Periode und
4 ein Strukturdiagramm einer Schaltung zur Bestimmung von elektromagnetischen Verlusten.
1 zeigt in schematischer Darstellung einen Rotor 2 und einen Stator 4 einer geschalteten Reluktanzmaschine. Der Rotor 2 weist sechs Zähne 6 auf, die radial sternförmig um eine Welle 12 der Reluktanzmaschine angeordnet sind. Der Stator 4 umfasst acht Statorzähne 8, die jeweils eine Spulenwicklung 10 tragen. Die Statorzähne 8 weisen radial nach innen zum Rotor 2 hin. Während des Betriebs der Reluktanzmaschine rotiert der Rotor 2 in Drehrichtung 14, wobei die Rotorzähne 6 des Rotors 2 an den Statorzähnen 8 des Stators 4 entlang bewegt werden. In der in 1 gezeigten Stellung führen vier Spulenwicklungen 16 der insgesamt acht Spulenwicklungen 10 Strom. Durch den durch die Spulenwicklungen 16 fließenden Strom wird eine magnetische Flussverkettung durch die Spulen induziert. Die magnetische Flussverkettung wechselwirkt mit den Rotorzähnen 6 in der Weise, dass die Spulenwicklungen 16 mit den Statorzähnen 8 ein Drehmoment auf die Rotorzähne 6 und damit auf den Rotor 2 ausüben. Durch dieses Drehmoment wird der Rotor 2 in eine Drehbewegung in Drehrichtung 14 versetzt. Sobald ein Rotorzahn 6 einen Statorzahn 8 passiert hat, wie dies in 1 bei den symmetrisch angeordneten Rotorzähnen 18 der Fall ist, würde eine magnetische Flussverkettung der nächsten Spulenwicklung 20 ein Drehmoment entgegen der Drehrichtung 14 auf den Rotor 2 ausüben. Damit dies nicht geschieht, ist die Spulenwicklung 20 ebenso wie alle anderen Spulenwicklungen 10 so geschaltet, dass die Spulenwicklung 20 keinen Strom mehr führt, wenn ein Rotorzahn 6 die Spulenwicklung 20 passiert hat. Die Spulenwicklungen 10, 16, 20 sind mithin so geschaltet, dass eine durch einen Stromfluss induzierte Flussverkettung durch die Spule ein Drehmoment in Drehrichtung 14 auf den Rotor 2 ausübt.
2 zeigt eine schematische Übersicht über die Widerstände einer elektrischen Maschine. Die elektrische Maschine umfasst einen in 2 nicht gezeigten Umrichter und einen Rotor und einen Stator. In den Umrichter wird ein Gleichstrom i_dc mit der Gleichspannung u_dc eingespeist . Gleichstrom i_dc und Gleichspannung u_dc werden im Umrichter in Wechselstrom und Wechselspannung beziehungsweise in Spannungspulse mit der Spannung u_ph umgewandelt, die eine Bestromung der vorgesehenen Spulenwicklung bzw. Spulenwicklungen der elektrischen Maschine mit dem Phasenstrom i_dc erzeugt. Der Umrichter selbst bewirkt bei dieser Umrichtung des Stroms und der Spannung einen elektrischen Verlust, der als ein Umrichterwiderstand R_um angegeben werden kann. Die jeweils vorgesehenen Spulenwicklungen, die auch als Phasen bezeichnet werden können, werden während vorgesehener Zeiträume mit der Phasenspannung u_dc beaufschlagt, sodass der Phasenstrom i_dc durch eine oder mehrere Spulenwicklungen fließt. Die Spulenwicklungen weisen hierbei elektromagnetische Verluste auf, die als elektromagnetischer Wirkwiderstand R angegeben werden können. Der elektromagnetische Wirkwiderstand R umfasst hierbei einen Gleichstromwiderstand R_dc der Spulenwicklung sowie den durch den Wechselstrom- bzw. Pulsbetrieb hervorgerufenen Wechselstromwiderstand R_ac. Außerdem umfasst der elektromagnetische Wirkwiderstand R den Ummagnetisierungswiderstand R_fc, der durch den ständigen Auf- und Abbau der Flussverkettung durch die Spule bedingt ist. Als eine dritte Komponente weist die elektrische Maschine einen Reibungswiderstand auf, der ebenfalls als ein elektrischer Widerstand R_reib angegeben werden kann. Die Phasenspannung u_ph und der Phasenstrom i_ph werden durch den elektromagnetischen Wirkwiderstand R und den Reibungswiderstand R_reib der elektrischen Maschine beeinflusst, sodass die zur mechanischen Arbeit zur Verfügung stehende Leistung der elektrischen Maschine als ein Produkt aus einem Strom i_m und einer Spannung u_m gesehen werden kann.
In 3 ist ein Zusammenhang zwischen dem durch eine Spulenwicklung 16 fließenden Phasenstrom i_ph und der an die Spulenwicklung 16 angelegten Phasenspannung u_ph dargestellt.
Während der Zeit, in der an die Spulenwicklung 16 ein erster Spannungspuls 32 der positiven Spannung von rund 300 mV angelegt ist, steigt der Phasenstrom i_ph in der Spulenwicklung 16 kontinuierlich an. Die nach dem Prinzip der Toleranzbandschaltung geregelte Phasenspannung u_ph wird nach der Zeitdauer des ersten Spannungspulses 32 zurückgesetzt, wobei dann der Phasenstrom i_ph – bedingt durch den elektromagnetischen Wirkwiderstand R und durch an den Rotor 2 als Drehmoment abgegebene Energie – abfällt. Nach einer kleinen Weile wird ein zweiter Spannungspuls 34 an die Spulenwicklung 16 angelegt, was dazu führt, dass der Phasenstrom i_ph durch die Spulenwicklung 16 wieder ansteigt. Dieser Vorgang wird mit weiteren Spannungspulsen 36 so lange wiederholt, bis die Stellung eines Rotorzahns 6 – relativ zu einem der Spulenwicklung 16 gegenüberstehenden Statorzahn 8 – so angeordnet ist, dass durch einen weiteren Spannungspuls nur noch ein geringes Drehmoment oder sogar ein Drehmoment in der der Drehrichtung 14 entgegengesetzten Richtung auf den Rotorzahn 6 aufgebracht werden würde. Zum schnellen Abbau der Flussverkettung durch die Spulenwicklung 16 wird nun auf die Spulenwicklung 16 eine negative Spannung von etwa –300 mV als Entmagnetisierungspuls 38 geschaltet, durch den sich der Phasenstrom i_ph und mit ihm die Flussverkettung bis auf null reduziert. Zum Verlöschenszeitpunkt T_ver ist der Phasenstrom i_ph und somit auch die Flussverkettung verschwunden.
Zur Berechnung des elektromagnetischen Wirkwiderstands R wird das Integral über die Phasenspannung u_Ph gebildet, und zwar von einem Zeitpunkt T₀, der vor oder zu Beginn des ersten Spannungspulses 32 liegt bis zum Verlöschenszeitpunkt T_ver. Dieses Integral wird dividiert durch das Integral über den Phasenstrom i_ph über den gleichen Zeitraum. Da das Integral über die Phasenspannung u_ph, wie aus 3 unmittelbar ersichtlich ist, positiv ist, weist diejenige Phase bzw. Spulenwicklung 16, deren Bestromung in 3 dargestellt ist, einen elektromagnetischen Wirkwiderstand R auf. Dieser elektromagnetische Wirkwiderstand R umfasst nicht den Reibungswiderstand R_reib, der zur Ermittlung des Gesamtwiderstands der elektrischen Maschine aus anderen Quellen ermittelt werden muss. Ebenfalls nicht vom elektromagnetischen Wirkwiderstand R umfasst ist ein gegebenenfalls existierender Umrichterwiderstand R_um, der ebenfalls aus anderen Quellen hergeleitet werden muss.
Ein Strukturdiagramm einer Auswerteeinheit 40 in Form einer elektrischen Schaltung zur Bestimmung des elektromagnetischen Wirkwiderstands R und des elektromagnetischen Wirkungsgrads η_em ist in 4 gezeigt. Die Schaltung weist zwei Messwerteingänge auf, nämlich einen ersten Messwerteingang 42, durch den die Phasenspannung u_ph in die Schaltung eingegeben werden kann, und einen zweiten Messwerteingang 44, durch den der Phasenstrom i_ph der Schaltung zugeführt werden kann. Der Phasenstrom i_ph und die Phasenspannung u_ph beziehen sich jeweils auf eine Phase bzw. eine Spulenwicklung. Zur Erfassung der Ströme und Spannungen sämtlicher Spulenwicklungen der elektrischen Maschine umfasst die elektrische Schaltung weitere Messwerteingänge und elektrische Schaltbausteine, die in 4 nicht gezeigt sind.
Zur Erlangung des elektromagnetischen Wirkwidertands R wird der Phasenstrom i_ph in einer ersten Integrationseinheit 46 über einen Zeitraum von null bis zum Verlöschenszeitpunkt T_ver aufintegriert. Der Verlöschenszeitpunkt T_ver wird von einer Resetlogik 56 ermittelt, die den Stromfluss direkt abtastet. Die erste Integrationseinheit 46 umfasst einen ohmschen Widerstand 48, einen Operationsverstärker 50, einen Kondensator 52 und einen Resetschalter 54. In dieser ersten Integrationseinheit 46 wird eine dem Phasenstrom i_ph entsprechende Größe aufintegriert, und durch die Resetlogik 56 in Verbindung mit einem Schalter 58 einem Analog-Digitalwandler 60 zugeführt. Die Resetlogik 56 schaltet hierbei zum Verlöschenszeitpunkt T_ver den Schalter 58 so, dass das Integrationssignal zum Analog-Digitalwandler 60 gelangt. Gleichzeitig setzt die Resetlogik 56 die erste Integrationseinheit durch Schließen des Schalters 54 zurück. Im Analog-Digitalwandler 60 wird das noch analoge Signal, das der Integration des Phasenstroms i_ph gemäß dem Nenner aus Gleichung (4) entspricht, in ein digitales Signal gewandelt und anschließend einer Recheneinheit 62 zugeführt.
In einer zweiten Integrationseinheit 64, die einen analogen Aufbau wie die erste Integrationseinheit 46 aufweist, wird eine durch den ersten Messwerteingang 42 aufgenommene Messgröße, die der Phasenspannung u_ph entspricht, über den gleichen Zeitraum wie der Phasenstrom i_ph aufintegriert. Zum Verlöschenszeitpunkt T_ver wird der Integrationswert mit Hilfe der Resetlogik 56 und einem Schalter 66 an einen weiteren Analog-Digitalwandler 68 übergeben, der das Signal digitalisiert und an die Recheneinheit 62 übergibt. In der Recheneinheit 62 wird durch Quotientenbildung der Integrale über die Phasenspannung u_ph und den Phasenstrom i_ph ein dem elektromagnetischen Wirkwiderstand R entsprechender Wert gebildet und an eine Multiplikationseinheit 70 weitergegeben. In der Multiplikationseinheit 70 wird dieser Wert mit einem den Phasenstrom i_ph repräsentierenden Wert multipliziert und anschließend in einer Subtraktionseinheit 72 von dem die Phasenspannung u_ph repräsentierenden Wert abgezogen. Das resultierende Signal wird in einer weiteren Multiplikationseinheit 74 mit dem den Phasenstrom i_ph repräsentierenden Wert multipliziert und dann in einer dritten Integrationseinheit 76 bis zu einem folgenden Verlöschenszeitpunkt T_ver integriert. Der resultierende Wert wird mit Hilfe der Resetlogik 56, einem Schalter 78 und einem weiteren Analog-Digitalwandler 80 an die Recheneinheit 62 weitergegeben. Eine vierte Integration wird in einer vierten Integrationseinheit 82 durchgeführt, in der ein in der Multiplikationseinheit 84 entstandenes Produkt integriert wird. Das Produkt setzt sich zusammen aus einem den Phasenstrom i_Ph und einem die Phasenspannung u_ph repräsentierenden Wert. Über einen Schalter 86 und einen Analog-Digitalwandler 88 wird das aufintegrierte Signal in digitaler Form der Recheneinheit 62 zugeführt. In der Recheneinheit 62 wird der Quotient aus dem in der dritten Integrationseinheit 76 gebildeten Wert und dem in der vierten Integrationseinheit 82 gebildeten Wert ermittelt und durch den Ausgang 90 ausge geben. Dieser Wert entspricht dem Ergebnis aus der Gleichung (5). Die in 4 gezeigte Schaltung ermittelt nur den elektromagnetischen Wirkungsgrad einer Spule oder Phase. Der Wirkungsgrad der übrigen Spulen der elektrischen Maschine wird in gleicher Weise, wie in 4 gezeigt, ermittelt, sodass aus den erhaltenen Werten aller Spulen der elektromagnetische Wirkungsgrad der gesamten Maschine ohne Aufwand ermittelt werden kann.
Mit der in 4 gezeigten Vorrichtung ist eine zuverlässige, sehr schnelle und exakte Ermittlung des elektromagnetischen Wirkungsgrads einer kollektorlosen elektrischen Maschine möglich. Die Vorrichtung ist sehr preiswert herzustellen, und sie ist sehr robust, sodass sie in einer Vielzahl von Anwendungen sowohl im industriellen als auch im haushaltsüblichen Bereich Einsatz finden kann. Die in der Recheneinheit 62 angeordnete Filtereinheit 92 filtert in der Recheneinheit 62 ermittelte Extremwerte nach in der Filtereinheit 92 hinterlegten Algorithmen aus. Hierdurch ist eine hohe Zuverlässigkeit der Vorrichtung erreichbar.
Aus dem elektromagnetischen Wirkungsgrad der elektrischen Maschine kann das mittlere Drehmoment der elektrischen Maschine ohne Schwierigkeiten ermittelt werden, indem die in die elektrische Maschine eingespeiste elektrische Energie – gegebenenfalls abzüglich der Umrichterverluste und der Reibungsverluste – mit dem elektromagnetischen Wirkungsgrad multipliziert wird, diese Energie durch den betrachteten Zeitpunkt dividiert und durch die Winkelgeschwindigkeit des Rotors 2 geteilt wird. Dieses in einfacher Weise ermittelte mittlere Drehmoment kann in einer Vielzahl von Anwendungen Verwendung finden. So kann beispielsweise dieses mittlere Drehmoment als zeitdiskrete oder als ereignisdiskrete Regelgröße in einer Regelung Verwendung finden.

2: Rotor
4: Stator
6: Rotorzahn
8: Statorzahn
10: Spulenwicklung
12: Welle
14: Drehrichtung
16: Spulenwicklung
18: Rotorzahn
20: Spulenwicklung
32: Erster Spannungspuls
34: Zweiter Spannungspuls
36: Weiterer Spannungspuls
38: Entmagnetisierungspuls
40: Auswerteeinheit
42: Erster Messwerteingang
44: Zweiter Messwerteingang
46: Erste Integrationsein
: heit
48: Ohmscher Widerstand
50: Operationsverstärker
52: Kondensator
54: Resetschalter
56: Resetlogik
58: Schalter
60: Analog-Digitalwandler
62: Recheneinheit
64: Zweite Integrationsein
: heit
66: Schalter
68: Analog-Digitalwandler
70: Multiplikationseinheit
72: Subtraktionseinheit
74: Multiplikationseinheit
76: Dritte Integrationsein
: heit
78: Schalter
80: Analog-Digitalwandler
82: Vierte Integrationsein
: heit
84: Multiplikationseinheit
86: Schalter
88: Analog-Digitalwandler
90: Ausgang
92: Filtereinheit
u_dc: Gleichspannung
i_dc: Gleichstrom
u_ph: Phasenspannung
i_ph: Phasenstrom
u_m: Spannung
i_m: Strom
R_um: Umrichterwiderstand
R_dc: Gleichstromwiderstand
R_ac: Wechselstromwiderstand
R_fc: Ummagnetisierungswider
: stand
R_reib: Reibungswiderstand R Elektromagnetischer
: Wirkwiderstand
: T_ver Verlöschenszeitpunkt

Claims

Verfahren zur Bestimmung von elektromagnetischen Verlusten in einer kollektorlosen elektrischen Maschine mit einer Anzahl von Spulenwicklungen (10, 16, 20), bei dem beginnend zu einem ersten Zeitpunkt eine Spannung an eine Spulenwicklung (16) angelegt wird, wobei der vom ersten bis zu einem zweiten Zeitpunkt durch die Spulenwicklung (16) fließende Strom (iph) und die in diesem Zeitraum an die Spulenwicklung angelegte Spannung (u_ph) erfasst und aus den erhaltenen Werten die elektromagnetischen Verluste bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Zeitpunkt an einen solchen Zeitpunkt gelegt wird, an dem kein Strom durch die Spulenwicklung (20) fließt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Verluste in Form eines elektromagnetischen Wirkungsgrads bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetischen Verluste aller angeschalteten Spulenwicklungen (16) der elektrischen Maschine ermittelt und daraus die elektromagnetischen Verluste der elektrischen Maschine bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das über den Zeitraum vom ersten bis zum zweiten Zeitpunkt Bemittelte Drehmoment, das von der Spulenwicklung (16) auf einen Rotor (2) ausgeübt wurde, ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die an die Spulenwicklung (16) angelegte Spannung (uph) über den Zeitraum vom ersten bis zum zweiten Zeitpunkt analog aufintegriert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der von einem dritten bis zu einem vierten Zeitpunkt durch die Spulenwicklung (16) fließende Strom (i_ph) und die in diesem Zeitraum an die Spulenwicklung (16) angelegte Spannung (uph) erfasst werden und der elektromagnetische Wirkungsgrad aus den erhaltenen Werten in Verbindung mit den bereits ermittelten elektromagnetischen Verlusten bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zu einem zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt liegenden Zeitpunkt die an die Spulenwicklung (16) angelegte Spannung (u_ph) negativ zur zum ersten Zeitpunkt angelegten Spannung (u_ph) gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt wenigstens eine volle elektrische Periode liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die an die Spulenwicklung (10) angelegte Spannung (u_ph) über einen Zeitraum, an dem die Spulenwicklung (10) unbestromt ist, aufintegriert wird und der erhaltene Wert zur Kalibrierung eines Messglieds verwendet wird.
Vorrichtung mit einer Auswerteeinheit (40) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet eine Integrationseinheit (46, 64) zur analogen Integration der an die Spulenwicklung (16) angelegten Spannung (u_ph) und des durch die Spulenwicklung (16) fließenden Stroms (i_ph) .
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet eine Filtereinheit (92) zur Eliminierung von extremen Ergebniswerten.