Titel:

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer Lage und Drehzahl eines

Rotors einer elektrischen Maschine

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Lage und Drehzahl eines Rotors einer elektrischen Maschine während eines aktiven Kurzschlusses.

Elektrische Maschinen, wie beispielsweise permanent erregte

Synchronmaschinen, finden in zahlreichen technischen Bereichen Einsatz. Beispielsweise werden solche permanent erregten Synchronmaschinen in Kraftfahrzeugen insbesondere Elektro- und Hybridfahrzeuge eingesetzt.

Stand der Technik

Aus der WO 2016/066330 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum

Umschalten aus dem Freilauf- Betriebszustand einer elektrischen Maschine in einen Kurzschluss-Betriebszustand bekannt.

Der Hintergrund der Erfindung liegt darin, dass die elektrische Maschine bei einem Ausfall der Rotorlagesensoren bei einer Drehzahl des Rotors innerhalb eines Notlaufdrehzahlbereiches in den Notbetrieb schaltet. Um Schäden an der elektrischen Maschine zu vermeiden wird oberhalb einer Notlaufdrehzahl, automatisch in einen aktiven Kurzschluss geschaltet. Ein Betrieb der elektrischen Maschine in einem Notbetrieb ist dadurch jedoch nicht möglich.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit dem bei einem Ausfall von Rotorlagesensoren die Lage und die Drehzahl des Rotors einer elektrischen Maschine während eines aktiven Kurzschlusses bestimmbar ist, so dass ein sicherer Übergang in den Notbetrieb möglich ist. Offenbarung der Erfindung

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Bestimmung einer Lage und Drehzahl eines Rotors einer elektrischen Maschine während eines aktiven Kurzschlusses mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Hinsichtlich einer Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens wird auf Anspruch 5 verwiesen. Die jeweils rückbezogenen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte

Weiterbildungen der Erfindung wieder.

Das Verfahren nach der Erfindung umfasst die Schritte des Bestimmens der sich beim Kurzschluss ergebenden Kurzschlussströme, des Bestimmens eines sich aus den Kurzschlussströmen ergebenden Gesamtstromes, des Bestimmens eines Statorstromwinkels des Gesamtstromes zu einem

Statorkoordinatensystem, des Bestimmens eines Rotorstromwinkels des

Gesamtstromes zu einer Flussrichtung des Rotors. Dieser umfasst dabei die Schritte des Berechnens einer betragsmäßigen Größe des Gesamtstromes, des Bestimmens des Rotorstromwinkels anhand einer für die elektrische Maschine erstellten charakteristischen Abhängigkeit zwischen dem betragsmäßigen Gesamtstrom und einem Rotorstromwinkel, wobei die Rotorlage einer Summe von Statorstromwinkel und Rotorstromwinkel entspricht und wobei sich die Rotordrehzahl aus einer Überwachung der Rotorlage ergibt.

Als Lage des Rotors im Sinne der vorliegenden Erfindung wird die Position des Rotors relativ zu einem Stator verstanden. Diese Position ist dabei bevorzugt als Winkel angegeben. Dementsprechend ist die Drehzahl des Rotors ebenfalls als relative Bewegung des Rotors zu dem Stator zu verstehen. Als Statorstromwinkel beziehungsweise Rotorstromwinkel wird dabei ein Winkel zwischen Stator beziehungsweise Rotor und einem Gesamtstrom verstanden.

Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass auch bei Ausfall der

Rotorlagesensoren die Lage und die Rotordrehzahl ermittelt werden kann.

Dadurch kann die elektrische Maschine während des aktiven Kurzschlusses sicher in einen Notbetrieb überführt werden. Bei Erreichen einer Notlaufdrehzahl kann somit der Notbetrieb gestartet werden ohne das es zu Schäden an der elektrischen Maschine kommt. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird die charakteristische Abhängigkeit durch in Beziehung bringen der drehzahlabhängigen Werte von betragsmäßigen Gesamtstrom und von Rotorstromwinkel ermittelt. Dadurch ist es möglich, durch Ermitteln eines betragsmäßigen Gesamtstroms einen

Rotorstromwinkel zu berechnen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung wird ein

Rotorlagenglättwert aus einer Glättung einer Vielzahl an Rotorlagewerten ermittelt. Dadurch können Ungenauigkeiten durch große Abweichungen bei einzelnen Werten minimiert werden. Ein Messwertrauschen wird dadurch reduziert, so dass die Genauigkeit der ermittelten Rotorlage erhöht wird.

Das Verfahren umfasst vorzugsweise einen Schritt, bei welchem die ermittelte Rotorlage und/oder Rotordrehzahl mit Sensorinformationen verglichen wird. Dadurch kann ein Defekt eines Sensors nochmals verifiziert werden.

Die Erfindung umfasst zusätzlich eine Rotorzustandsbestimmungsvorrichtung, die eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Die

Rotorzustandsbestimmungsvorrichtung umfasst dabei eine

Strombestimmungseinheit, zum Bestimmen der sich beim Kurzschluss ergebenden Kurzschlussströme, eine Gesamtstrombestimmungseinheit, zum Bestimmen eines sich aus den Kurzschlussströmen ergebenden

Gesamtstromes, eine Statorstromwinkelbestimmungseinheit, zum Bestimmen eines Statorstromwinkels des Gesamtstromes zu einem

Statorkoordinatensystem, eine Rotorstromwinkelbestimmungseinrichtung, zum Bestimmen eines Rotorstromwinkels des Gesamtstromes zu einer Flussrichtung des Rotors, wobei die Rotorstromwinkelbestimmungseinrichtung eine

Berechnungseinheit zur Berechnung einer betragsmäßigen Größe des

Gesamtstromes, und eine Stromwinkelkorrelationseinheit, zum Bestimmen des zum betragsmäßigen Gesamtstrom korrelierten Rotorstromwinkels, umfasst, eine Rotorlagebestimmungseinheit, zum Bestimmen einer Rotorlage, eine

Rotordrehzahlbestimmungseinrichtung, zum Bestimmen einer Rotordrehzahl.

Mittels der Rotorzustandsbestimmungsvorrichtung kann das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden, so dass die zu diesem Verfahren genannten Vorteile erzielt werden können. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die

Rotordrehzahlbestimmungseinrichtung eine Glättungseinheit. Mittels dieser Glättungseinheit kann das Verfahren zum Glätten von den Rotorlagewerten durchgeführt werden, so dass die Genauigkeit der ermittelten Rotorlagewerte erhöht wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die elektrische Maschine eine Permanent-Magneten-Synchronmaschine, eine elektrisch erregte

Synchronmaschine oder eine Synchron Reluktanzmaschine. Die Permanent- Magneten-Synchronmaschine hat den Vorteil, dass sie einen hohen

Wirkungsgrad und eine kleine Bauform aufweist. Die Synchron

Reluktanzmaschine hat den Vorteil, dass bei der Herstellung gegenüber permanentmagneterregten Synchronmotoren keine Magnetwerkstoffe auf Basis sogenannter Seltene Erden-Werkstoffe Verwendung finden. Auch treten bei der Synchron Reluktanzmaschine nahezu keine Verluste im Läufer auf, dadurch hat sie einen guten Wirkungsgrad.

Vorzugsweise ist die elektrische Maschine dreiphasig. Der Vorteil solcher elektrischer Maschinen ist, dass diese eine hohe Dynamik, ein hohes

Drehmoment und eine hohe Effizienz aufweisen.

Zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst die Erfindung ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln zur Durchführung des Verfahrens, wenn das Computerprogrammprodukt auf einer Steuereinheit einer Rotorzustandsbestimmungsvorrichtung oder auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist. Darüber hinaus umfasst die Erfindung ein maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogrammprodukt gespeichert ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

Figur 1 Ausführungsbeispiel eines Verfahrens und einer

Rotorzustandsbestimmungsvorrichtung zur Bestimmung einer Lage und Drehzahl eines Rotors einer elektrischen Maschine, Figur 2 Graphische Darstellung einer Lagebestimmung eines Rotors zu einem Stator am Beispiel einer dreiphasigen elektrischen Maschine,

Figur 3 Diagramme zur Herleitung einer charakteristischen Abhängigkeit

zwischen dem betragsmäßigen Gesamtstrom und einem

Rotorstromwinkel, und

Figur 4 Diagramm der charakteristischen Abhängigkeit zwischen dem

betragsmäßigen Gesamtstrom und einem Rotorstromwinkel.

Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens und ein

Ausführungsbeispiel einer Rotorzustandsbestimmungsvorrichtung 10 zur Bestimmung einer Lage 0 _R und Drehzahl n _R eines Rotors (nicht gezeigt) einer elektrischen Maschine (nicht gezeigt). In einer Strombestimmungseinheit 14 werden dazu die sich während eines aktiven Kurzschlusses ergebenden Kurzschlussströme lu, lv, Iw am Beispiel einer dreiphasigen elektrischen

Maschine bestimmt. Die sich ergebenden Kurzschlussströme lu, lv, Iw sind in Figur 2 dargestellt. In einer Gesamtstrombestimmungseinheit 18 der

Rotorzustandsbestimmungsvorrichtung 10 wird anschließen ein sich aus den Kurzschlussströmen lu, lv, Iw ergebender Gesamtstrom l _a , Iß bestimmt. Eine graphische Bestimmung des Gesamtstroms l _a , Iß aus den für einen dreiphasigen Motor um 120° versetzten Kurzschlussströmen lu, lv, Iw ist in Figur 2 dargestellt.

Eine Statorstromwinkelbestimmungseinheit 22 bestimmt einen als

Statorstromwinkel yi bezeichneten und in Figur 2 gezeigten Winkel des

Gesamtstromes l _a , Iß zu einem Statorkoordinatensystem a, ß. Über diesen Statorstromwinkel yi ist eine Stromrichtung des Gesamtstromes l _a , Iß zu dem Statorkoordinatensystem a, ß angegeben. Die

Rotorzustandsbestimmungsvorrichtung 10 umfasst zusätzlich eine

Rotorstromwinkelbestimmungseinrichtung 26, welche eine Berechnungeinheit 30 umfasst, in welcher eine betragsmäßige Größe I des Gesamtstromes l _a , Iß berechnet wird.

Darüber hinaus umfasst die Rotorstromwinkelbestimmungseinrichtung 26 eine Stromwinkelkorrelationseinheit 34, welche einen Rotorstromwinkels fi anhand einer für die elektrische Maschine erstellten charakteristischen Abhängigkeit zwischen dem von der Berechnungeinheit 30 bestimmten betragsmäßigen Gesamtstrom I und einem Rotorstromwinkel fi bestimmt.

Wie in Figur 2 gezeigt, gibt der Rotorstromwinkel fi den Winkel zwischen dem Gesamtstromes l _a , Iß und einer Flussrichtung d _R des Rotors an. Die

Rotorzustandsbestimmungsvorrichtung 10 umfasst zusätzlich eine

Rotorlagebestimmungseinheit 38, welche aus einer Summe von

Statorstromwinkel yi und Rotorstromwinkel fi die Rotorlage 0R berechnet. Die Rotorlage 0R entspricht, wie in Figur 2 gezeigt, dem Winkel zwischen der Flussrichtung d _R des Rotors zum Stator. Mittels einer

Rotordrehzahlbestimmungseinrichtung 42 wird durch Überwachung der

Rotorlage 0R die Rotordrehzahl n _R bestimmt.

Aus einer Vielzahl an Rotorlagenwerten 0R und Rotordrehzahlwerten n _R wird in einer Glättungseinheit 46 ein Rotorlagenglättwert 0R ₉ und Rotordrehzahlglättwert n _Rg berechnet. Dadurch können Ungenauigkeiten durch große Abweichungen bei einzelnen Werten minimiert werden.

Figur 3 zeigt Diagramme zur Herleitung einer charakteristischen Abhängigkeit zwischen dem betragsmäßigen Gesamtstrom I und einem Rotorstromwinkel fi. Dazu ist für eine elektrische Maschine in Abhängigkeit der Maschinendrehzahl n, jeweils der aus dem Gesamtstrom l _a , Iß ermittelte betragsmäßige Gesamtstrom I und der Rotorstromwinkel fi bestimmt worden. Diese dabei ermittelten drehzahlabhängigen Werte sind für jede elektrische Maschine unterschiedlich und charakterisieren diese.

Über die gleichen Maschinendrehzahlwerte n können der betragsmäßige

Gesamtstrom I und der Rotorstromwinkel fi in Beziehung zueinander gebracht werden ohne das eine Drehzahl bekannt ist. Eine solche Beziehung beider Werte ist in Figur 4 gezeigt. In dieser Figur ist die charakteristischen Abhängigkeit zwischen dem betragsmäßigen Gesamtstrom I und dem Rotorstromwinkel fi gezeigt. Über dieses Diagramm ermittelt die Stromwinkelkorrelationseinheit 34 aufgrund des betragsmäßigen Gesamtstroms I den dazu gehörigen

Rotorstromwinkel fi.