Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
METHOD AND DEVICE FOR DETERMINING THE SPEED OF AN ELECTRIC MACHINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2006/061282
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for determining the speed of an electric machine (M) having a protective resistor (RV). The inventive method is characterized by establishing a ratio of the machine voltage (UM) to the protective resistor voltage (UV) and using the result to make a statement on the speed. The invention also relates to a method for determining speed and to the use of a resistor in speed determination. As the protective resistor, any variable resistor which is anyhow required for speed control can be used.

Inventors:
Vogt, Richard (Ruhesteinstr. 12, Willstaett, 77731, DE)
Ewert, Andreas (Woerthstr. 3, Lichtenau, 77839, DE)
Strupp, Michael (Kumhori Buyongm 232, Cheongwon-Gun 100-0, KR)
Application Number:
PCT/EP2005/055337
Publication Date:
June 15, 2006
Filing Date:
October 18, 2005
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
ROBERT BOSCH GMBH (Postfach 30 02 20, Stuttgart, 70442, DE)
Vogt, Richard (Ruhesteinstr. 12, Willstaett, 77731, DE)
Ewert, Andreas (Woerthstr. 3, Lichtenau, 77839, DE)
Strupp, Michael (Kumhori Buyongm 232, Cheongwon-Gun 100-0, KR)
International Classes:
G01P3/42; H02P7/00
Foreign References:
US3705337A1972-12-05
DE3412538A11985-10-31
EP0492070A11992-07-01
Other References:
DATABASE WPI Derwent World Patents Index; AN 1984-236137, XP002362256
Attorney, Agent or Firm:
ROBERT BOSCH GMBH (Postfach 30 02 20, Stuttgart, 70442, DE)
Download PDF:
Claims:
Patentansprüche
1. Verfahren zur Drehzahlermittlung einer elektrischen Maschine (M) mit einem Vorwiderstand (Rv), dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis von Maschinenspannung (UM) und Vorwiderstandsspannung (Uv) gebildet und aus dem Ergebnis eine Aussage über die Drehzahl ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Korrektur hinsichtlich Änderungen der Betriebsbedingungen vorgenommen wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stillstand der elektrischen Maschine (M) signalisiert wird, wenn das Verhältnis einen Schwellenwert überschreitet oder unterschreitet.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellenwert konstant ist oder variabel anpassbar ist.
5. Vorrichtung (1 ) zur Drehzahlermittlung einer elektrischen Maschine (M) mit einem Vorwiderstand (Rv), gekennzeichnet durch eine Maschinenspannung (UM) und Vorwiderstandsspannung (Uv) ermittelnde Spannungsmessvorrichtung (10) und eine das Verhältnis dieser Spannungen (UM, UV) zur Drehzahlermittlung auswertende Aus Werteeinrichtung (12).
6. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine bei Überschreiten oder Unterschreiten eines Schwellenwerts einen Stillstand der Maschine (M) anzeigende Signalisierungsvorrichtung (14).
7. Verwendung eines Widerstands zur Drehzahlermittlung einer e lektrischen Maschine (M), dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand ein Vorwiderstand (Rv) der elektrischen Maschine (M) ist.
8. Verwendung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorwiderstand (Rv) ein die Drehzahl der elektrischen Maschine (M) beeinflussender, veränderlich einstellbarer Steuerwiderstand (16) ist.
Description:
Drehzahlermittlung bei einer elektrischen Maschine

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Drehzahlermittlung einer elektrischen Maschine mit einem Vorwiderstand, sowie eine entsprechende Vorrichtung. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung eines Widerstands zur Drehzahlermittlung einer elektrischen Maschine.

Stand der Technik

Verfahren und Vorrichtungen zur Drehzahlermittlung einer elektrischen Maschine sind bekannt. So kann die Drehzahl der elektrischen Maschine beispielsweise mittels dem Rotor der Maschine zugeord- neten Sensoren erfasst werden. Ferner kann die Drehzahl auch durch eine Messung der Phasenströme bestimmt werden. Für viele Anwendungen ist es aber nicht notwendig, die genaue Drehzahl der elektrischen Maschine zu kennen. Vielmehr kann es ausreichend sein, bestimmte Betriebszustände, zum Beispiel Rotorstillstand, Ro- tor dreht langsam oder Rotor dreht schnell, zu unterscheiden. Dabei ist es insbesondere wichtig, einen unerwarteten Rotorstillstand (Blockieren) zu erkennen, da eine blockierte Maschine einen sehr geringen Widerstand darstellt, daher von einem sehr hohen Strom durchflössen wird und innerhalb kurzer Zeit eine maximal zulässige Tem- peratur überschreiten kann. Wird die Spannungs- beziehungsweise Stromversorgung nicht schnell abgeschaltet, führt dies zur Zerstörung des Motors durch Überhitzung. Eine weit verbreitete Möglichkeit die Drehzahl beziehungsweise den Betriebszustand der elektrischen Maschine zu erkennen, ist die Integration eines oder mehrerer Shunts in den Laststromkreis. Über die am Shunt abfallende Spannung, kann dann der Maschinenstrom bestimmt werden. Ein solcher Shunt führt jedoch zu zusätzlichen Verlusten im Motorstromkreis und zu einer Verteuerung des Produkts. Insbesondere in der Kraftfahr-

zeugtechnik -und hier insbesondere bei Gebläsemotoren- verbleibt der Wunsch nach günstigeren Lösungen.

Vorteile der Erfindung

Für ein Verfahren zur Drehzahlermittlung einer elektrischen Maschine mit einem Vorwiderstand wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass ein Verhältnis von Maschinenspannung und Vorwiderstandsspannung gebildet und aus dem Ergebnis eine Aussage über die Drehzahl ermittelt wird. Das Prinzip dieses Vorgehens wird nachfolgend erläutert, wobei ein konkretes Fallbeispiel dann im Ausführungsbeispiel beschrieben wird. Die elektrische Maschine mit ihrem Vorwiderstand ist an eine Versorgungsspannung angeschlossen. Zu einer bestimmten Versorgungsspannung stellt sich im stabilen Zu- stand eine bestimmte Drehzahl der Maschine ein. Durch die Rotation des Rotors der Maschine stellt sich eine induzierte, entgegenwirkende elektromagnetische Kraft (GegenEMK) ein. Diese GegenEMK wirkt der Drehung des Rotors entgegen. Dadurch stellt sich ein Strom durch die elektrische Maschine ein, der geringer ist, als man dies bei bloßer Betrachtung von Versorgungsspannung, Vorwiderstand und Ohmschen Widerstand der Maschine erwarten würde. Während des Betriebs stellt sich ein Spannungsabfall über den Vorwiderstand und ein Spannungsabfall über den Motor (einschließlich der GegenEMK) ein. Kommt es nun zu einem Blockieren der elektri- sehen Maschine, das heißt zu einem Stillstand des Rotors, fällt die GegenEMK auf Null ab. Der Wegfall der GegenEMK bedeutet einerseits, dass sich die über die elektrische Maschine abfallende Maschinenspannung verringert. Gleichzeitig erhöht sich der Strom durch die Anordnung, da nunmehr die gesamte Versorgungsspannung - nicht mehr durch die GegenEMK gemindert- am Vorwiderstand und am Ohmschen Widerstand der Maschine abfällt. Dadurch steigt der Spannungsabfall am Vorwiderstand an. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass sich durch den erhöhten Strom zwar auch ein erhöhter Spannungsabfall am Ohmschen Widerstand der Maschine

einstellt. Es wurde jedoch erkannt, dass der durch den erhöhten Strom bewirkte Spannungsanstieg der Maschinenspannung geringer ist, als der durch den Wegfall der GegenEMK bewirkte Spannungsabfall, sodass die Maschinenspannung insgesamt reduziert ist. Es ist also festzuhalten, dass -ausgehend vom Normalbetrieb- sich im Blockierfall die Vorwiderstandsspannung erhöht und die Maschinenspannung reduziert. Setzt man nun die Vorwiderstandsspannung und die Maschinenspannung ins Verhältnis zueinander, wobei sowohl ein Quotient aus Vorwiderstandsspannung und Maschinenspannung als auch ein Quotient aus Maschinenspannung und Vorwiderstandsspannung gebildet werden kann, so ändern sich die ins Verhältnis gesetzten Zahlen gegenläufig zueinander. Dies bedeutet, dass mittels der Bildung eines Verhältnisses die Drehzahlen im Normalbetrieb und beim Blockieren gut zu unterscheiden sind. Ferner ist die Verhältnisbildung vorteilhaft, da die Auswirkungen von Änderungen der Versorgungsspannung verringert oder sogar weitestgehend kompensiert werden können. Erhöht sich beispielsweise während des Betriebs die Versorgungsspannung, so führt dies zu einem höheren Strom durch die Anordnung. Einerseits folgt daraus unmittelbar ein erhöhter Spannungsabfall über den Vorwiderstand. Andererseits führt dies aber auch zu einer Erhöhung der Maschinenspannung, insbesondere dadurch, dass der höhere Strom eine höhere Drehzahl der Maschine und damit ein Ansteigen der GegenEMK bewirkt. Analog dazu führt eine verringerte Versorgungsspannung zu einem ge- ringeren Spannungsabfall über den Vorwiderstand und zu einem geringeren Spannungsabfall über die Maschine. Da sich also beide Seiten des Verhältnisses gewissermaßen gleichläufig verändern, führt eine Änderung der Versorgungsspannung zu wesentlich geringeren Änderungen des Verhältnisses, als dies im blockierten Zustand der Fall ist. Dadurch ist das Risiko einer Fehlerkennung eines vermeintlichen Blockierens verringert. Bei Bedarf lassen sich die Änderungen der Drehzahl auch am Verhältnis ablesen, insbesondere Stufen, wie Rotor dreht zu langsam, normal, zu schnell, sodass sich auch über den Blockierzustand hinaus Aussagen zur Drehzahl treffen lassen.

- A -

Auf diese Weise lässt sich ein preisgünstiges und zuverlässiges Verfahren zur Drehzahlermittlung einer elektrischen Maschine, insbesondere zur Erkennung eines Blockierzustands, realisieren. Das Verfahren lässt sich besonders vorteilhaft in der Kraftfahrzeugtechnik einsetzen, da hier der Anteil der Kostenersparnis im Hinblick auf bekannte Motorzustandsüberwachungen besonders deutlich ist. Dies trifft gerade für verhältnismäßig aufwendige Maschinen zu, insbesondere bei Gebläsemotoren, da diese aufgrund ihres relativ hohen Betriebsstroms im Blockierfall schnell zerstört werden können und ein Austausch erhebliche Material- und Arbeitskosten mit sich bringen würde. Es sei angemerkt, dass nicht nur die Maschinenspannung und die Vorwiderstandsspannung ins Verhältnis zueinander gesetzt werden können, sondern auch daraus abgeleitete Größen. Dazu zählt es insbesondere, die Größen getrennt oder gemeinsam mit Faktoren zu multiplizieren oder Werte hinzuzuaddieren oder zu subtrahieren.

Vorteilhafterweise wird eine Korrektur hinsichtlich Änderungen der Betriebsbedingungen vorgenommen. Dadurch können die Auswir- kungen von Änderungen der Betriebsbedingungen (insbesondere der Versorgungsspannung und der Temperatur) im Verfahren berücksichtigt werden. Eine Korrektur kann dabei sowohl hinsichtlich der Maschinenspannung und/oder der Vorwiderstandsspannung, der Korrektur des gebildeten Verhältnisses und/oder bei der Ermittlung der Aussage über die Drehzahl eingebracht werden. Dadurch kann die Qualität der Aussage über die Drehzahl verbessert werden.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Stillstand der elektrischen Maschine signalisiert, wenn das Verhältnis einen Schwellenwert überschreitet oder unterschreitet. Wie bereits zuvor erläutert, zeichnet sich das Verfahren -vereinfacht gesagt- dadurch aus, dass das Verhältnis im Vergleich zum Normalzustand beim Blockieren deutlich beeinflusst wird, während im Normalbetrieb aber nur geringe Änderungen zu erwarten sind. Soll in erster Linie der Still-

stand der Maschine erkannt werden, so kann mittels eines geeignet gewählten Schwellenwerts erreicht werden, dass bei im Betrieb üblichen Abweichungen keine Signalisierung eines Stillstands erfolgt, während bei deutlichen Abweichungen vom Normalwert von einem Blockieren der Maschine ausgegangen wird. Dabei kann der Schwellenwert insbesondere derart gewählt werden, dass er sich in etwa als Mittelwert zwischen dem Verhältnis im Normalbetrieb und dem Verhältnis im blockierten Zustand ergibt. Dabei kommen verschiedene Arten der Mittelwertbildung in Betracht, beispielsweise arithmeti- sches, geometrisches, quadratisches oder logarithmisches Mittel.

Es ist vorteilhaft, wenn der Schwellenwert konstant ist oder variabel anpassbar ist. Ein konstanter Schwellenwert kann beispielsweise während der Fertigung vorgegeben werden und kann dabei die je- weilige Charakteristik der elektrischen Maschine mit Vorwiderstand berücksichtigen. Zu dieser Charakteristik zählen insbesondere die Widerstandswerte von Maschine und Vorwiderstand (feste Parameter). Neben der zuvor erwähnten Anpassung der Verhältnisberechnung kann auch eine variable Anpassung des Schwellenwerts vor- genommen werden. Dadurch können Betriebsgrößen (dynamische Parameter), wie zum Beispiel eine Änderung der Versorgungsspannung, Einfluss auf die Festlegung des Schwellenwerts nehmen. Ein variabel anpassbarer Schwellenwert kann dabei einen konstanten und einen variablen Anteil aufweisen.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Drehzahlermittlung einer elektrischen Maschine mit einem Vorwiderstand, aufweisend eine Maschinenspannung und Vorwiderstandsspannung ermittelnde Spannungsmessvorrichtung und eine das Verhältnis dieser Span- nungen zur Drehzahlermittlung auswertende Auswerteeinrichtung.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Vorrichtung eine bei Unterschreiten eines Schwellenwerts einen Stillstand der Maschine anzeigende Sig- nalisierungsvorrichtung aufweist.

Die Erfindung betrifft auch eine Verwendung eines Widerstands zur Drehzahlermittlung einer elektrischen Maschine, wobei der Widerstand ein Vorwiderstand der elektrischen Maschine ist. Dies bedeu- tet, dass ein bereits vorhandener Vorwiderstand, der für den Betrieb der elektrischen Maschine erforderlich ist, hier eine Doppelfunktion erfüllt und bei der Drehzahlermittlung der elektrischen Maschine verwendet wird. Es wird also kein weiterer Widerstand benötigt, insbesondere kein Shunt mit einer ihm zugeordneten Messeinrichtung, um eine Aussage über die Drehzahl der elektrischen Maschine zu machen, insbesondere ob möglicherweise ein Blockierzustand vorliegt.

Vorteilhafterweise ist der Vorwiderstand ein die Drehzahl der elektrischen Maschine beeinflussender, veränderlich einstellbarer Steuer- widerstand. Ein solcher Steuerwiderstand ist beispielsweise einem Gebläsestufenwahlschalter zugeordnet. Beim Einschalten des Gebläses, beispielsweise auf eine erste Stufe, hat dieser Steuerwiderstand einen bestimmten Wert, um die für die erste Stufe gewünschte Drehzahl des Gebläsemotors zu bewirken.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 den schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Drehzahlermittlung einer elektrischen Maschine,

Figur 2 eine Verdeutlichung der Charakteristik der elektrischen Maschine anhand eines Ersatzschaltbilds,

Figur 3 die Situation der elektrischen Maschine mit Vorwiderstand im Normalbetrieb, und

Figur 4 die Situation der elektrischen Maschine mit Vorwiderstand im Blockierfall.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Figur 1 zeigt eine vereinfachte Darstellung einer Vorrichtung 1 zur Drehzahlermittlung einer elektrischen Maschine M mit einem Vorwiderstand Rv. Die elektrische Maschine M mit dem Vorwiderstand Rv ist an eine Versorgungsspannung U B angeschlossen, sodass die An- Ordnung vom Strom I durchflössen wird. Dabei fällt am Vorwiderstand Rv die Vorwiderstandsspannung Uv und an der elektrischen Maschine M die Maschinenspannung U M ab. Die Vorwiderstandsspannung Uv und die Maschinenspannung U M werden von einer Spannungsmessvorrichtung 10 ermittelt. Die gemessenen Spannun- gen werden dann an eine Auswertevorrichtung 12 weitergeleitet, wo das Verhältnis dieser Spannungen gebildet wird. Zudem können hier auch Korrekturen hinsichtlich Änderungen der Betriebsbedingungen vorgenommen werden. Das Ergebnis wird an die Signalisierungsvor- richtung 14 weitergeleitet, wo das Ergebnis mit einem Schwellenwert verglichen wird. Dieser Schwellenwert kann sowohl konstant als auch variabel anpassbar sein. Bei Überschreiten oder Unterschreiten des Schwellenwerts -dies ist abhängig davon, wie das Verhältnis gebildet wird-, zeigt die Signalisierungsvorrichtung 14 einen Stillstand der Maschine M an.

Für den gezeigten Stromkreis gilt

U B = U r +U M (1 )

und

Uy = I Ry (2)

In der Figur 2 wird das Ersatzschaltbild der elektrischen Maschine M aufgezeigt, die bei den nachfolgenden Betrachtungen zu berücksichtigen ist. Dabei stellt sich die elektrische Maschine M als Maschinenwiderstand Ro (Ohmscher Widerstand), über den eine Spannung Uo abfällt, und mit ihrem GegenEMK-Anteil dar, der sich in der Spannung U em zeigt. Daraus folgen

U M = U o + U em = I-R o +U em (3)

und

I _ u B -u em (4)

R r + R O

Bildet man das Verhältnis von Maschinenspannung U M und Vorwi- derstandsspannung Uv, ergibt sich

Q _ U M _ I R o +U em _ R o | U em (5)

U y I • R y R y I ' R y

Es ist zu erkennen, dass sich das Verhältnis aus einem im Wesentli- chen konstanten Quotienten und einem Quotienten, dessen Zähler und Nenner von der jeweiligen Betriebsbedingung abhängig ist, zusammensetzt. Dabei ist aber festzustellen, dass im normalen Betrieb ein Zusammenhang zwischen Zähler und Nenner dahingehend besteht, dass sich ein Anstieg von U em auf einen Anstieg des Stroms I beziehungsweise umgekehrt zurückführen lässt. Ebenso führt eine Reduzierung des Stroms I zu einer Reduzierung der GegenEMK U em beziehungsweise umgekehrt. Das heißt, im Normalbetrieb stellen sich nur geringe Änderungen des Verhältnisses ein.

Eine andere Situation ergibt sich, wenn der Blockierzustand auftritt. Wie bereits zuvor ausführlich erläutert, steigt in diesem Fall der Strom I stark an und die GegenEMK U em fällt im Wesentlichen weg.

Dadurch reduziert sich das Verhältnis deutlich. Dies insbesondere, wenn das Verhältnis von Maschinenwiderstand Ro zu Vorwiderstand Rv kleiner als 1 gewählt ist, insbesondere wesentlich kleiner als 1 , vorzugsweise zwischen 0,1 und 0,5.

Anhand der Figuren 3 und 4 wird nun anhand konkreter Zahlenwerte das Prinzip anschaulich dargestellt. Die gewählten Zahlenwerte bedeuten dabei keinerlei Einschränkung im Hinblick auf mögliche erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele. Bezüglich der Figur 3 seien folgende Werte angenommen: I = 10 A, R v = 0,5 Ω, R 0 = 0,1 Ω, U B = 12 V und U e m = 6 V. Daraus folgt U v = 5 V und U M = 7 V. Bildet man nun das zuvor beschriebene Verhältnis von Maschinenspannung U M und Vorwiderstandsspannung U v ergibt sich Q = 1 ,4.

Zunächst soll der Fall betrachtet werden, dass sich die Versorgungsspannung U B auf 18 V erhöht und dadurch die GegenEMK U em auf

9 V steigt. Daraus ergibt sich unmittelbar der Strom I = 15 A und daraus wiederum Uv = 7,5 V und U M = 10,5 V. Bildet man nun erneut das Verhältnis von Maschinenspannung U M und Vorwiderstands- Spannung Uv, ergibt sich Q = 1 ,4. Dies bedeutet, dass für diesen Fall trotz einer Änderung der Versorgungsspannung U B das Verhältnis unverändert geblieben ist.

Eine gänzlich andere Situation ergibt sich, wenn der in Figur 4 dar- gestellte Blockierzustand eintritt. Da die GegenEMK U em = 0 ist, stellt sich der Strom I = 20 A ein. Daraus ergeben sich unmittelbar Uv =

10 V und U M = 2 V. Das zuvor genannte Verhältnis ist nun Q = 0,2, also eine signifikante Änderung gegenüber dem Normalzustand. Wird nun beispielsweise ein Schwellenwert von 0,8 gewählt, so ist der Normalzustand anzunehmen, wenn das Verhältnis oberhalb des Schwellenwerts liegt. Wird der Schwellwert unterschritten, ist ein Stillstand der elektrischem Maschine M anzunehmen, der zur Einleitung von Gegenmaßnahmen, beispielsweise einem Abkoppeln der Spannungsversorgung, signalisiert werden sollte.