Elektrische Maschine und Verfahren zum Ermitteln eines Fehlers einer elektrischen Maschine

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere eine elektrische Maschine für ein Fahrzeug, und ein Verfahren zum Ermitteln eines Fehlers einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Fehlers einer

Erdungsvorrichtung der elektrischen Maschine.

Die Fehlerdiagnose eines elektrischen Antriebs eines Fahrzeugs bekommt einen immer höheren Stellenwert und es ist wünschenswert, einen Ausfall desselben frühzeitig und differenziert zu erkennen, damit im Fehlerfall rechtzeitig geeignete Gegenmaßnahmen ergriffen werden können. Insbesondere stellt die hohe Dynamik der Antriebe in Bezug auf den Drehmomentverlauf höchste Anforderungen an zukünftige Diagnosen. Außerdem besteht der Wunsch des Bedieners eines Fahrzeugs darin, die Wartungsintervalle des Fahrzeugs weitestgehend zu verlängern, wobei sich jedoch die Betriebsdauern der Fahrzeuge stetig erhöht, beispielsweise durch Car Sharing.

Potentielle Fehler eines elektrischen Antriebs kann man im Wesentlichen in zwei Kategorien unterteilen, nämlich mechanische und elektrische Fehler. Mechanische Fehler betreffen dabei Fehler, die der Mechanik des elektrischen Antriebs zuzuordnen sind, wie beispielsweise defekte Lager oder plastische Verformungen von Bauteilen der elektrischen Maschine. Im Gegensatz dazu betreffen elektrische Fehler diejenigen Fehler des elektrischen Antriebs, die den elektronischen

Bauteilen bzw. elektrischen Elementen des elektrischen Antriebs zugeordnet werden können, wie beispielsweise Kurzschlüsse in der Rotor- oder Statorwicklung oder defekte Schleifkontakte.

Heutige Fehlerdiagnosen basieren im Wesentlichen auf der Auswertung der Phasenströme/Spannungen, der Vibrationsmessung mittels Körperschallsensoren oder Temperaturmessungen, bei denen ebenso die Drehzahl der Rotorwelle und/oder die Position des Rotors berücksichtigt werden, um auf potentielle Fehler der elektrischen Maschine schließen zu können.

Ein weiterer, häufig auftretender Fehler von elektrischen Maschinen sind Schäden der Lager der Rotorwelle, die u.a. durch elektrische Leckageströme verursacht werden, die durch die Lager der Rotorwelle fließen. Um solche elektrischen Leckageströme zu verhindern, ist es bekannt, einen Wellenerdungsring

vorzugsehe, der zwischen der Rotorwelle und des Gehäuses angeordnet und dazu ausgebildet ist, etwaig auftretende elektrische Leckageströme an den Lagern der Rotorwelle vorbeizuleiten, so dass die elektrischen Leckageströme nicht mehr direkt durch die Lager fließen.

Zudem ist es bekannt, die Stärke der elektrischen Leckageströme durch

Verwendung symmetrischer Motorkabel oder durch Filterung am

Wechselrichterausgang zu reduzieren. Auch eine verbesserte Isolation der Lager der Rotorwelle kann den Pfad der elektrischen Leckageströme durch die Lager der Rotorwelle unterbrechen.

Der vorliegenden Erfindung liegt im Wesentlichen die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine und ein Verfahren vorzusehen, mittels denen ein

zuverlässiges Ermitteln eines Fehlers einer Erdungsvorrichtung ermöglicht ist, um beispielsweise etwaige durch elektrische Leckageströme verursachte mechanische Schäden der Lager der Rotorwelle der elektrischen Maschine zumindest teilweise zu verhindern.

Diese Aufgabe wird mit einer elektrischen Maschine gemäß unabhängigem

Anspruch 1 und einem Verfahren gemäß unabhängigem Anspruch 8 gelöst.

Bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den

Unteransprüchen angegeben.

Der vorliegenden Erfindung liegt im Wesentlichen der Gedanke zugrunde, eine an einer Rotorwelle einer elektrischen Maschine applizierten

Drehmomentsensoreinrichtung dazu zu verwenden, etwaigen elektrischen Leckagestrom, der über die Rotorwelle unbeabsichtigt und ungewollt zumindest teilweise fließt, zu erfassen und folglich einen Fehler einer Erdungsvorrichtung auszugeben, die dazu ausgebildet ist, etwaigen auftretenden elektrischen

Leckagestrom an den Lagervorrichtungen der Rotorwelle und/oder der Rotorwelle selbst vorbeizuleiten. Ein durch die Lagervorrichtungen der Rotorwelle fließender elektrischer Leckagestrom könnte zu mechanischen Schäden und/oder erhöhtem mechanischen Verschleiß der Lagervorrichtungen und somit der gesamten elektrischen Maschine führen, wobei mittels der vorliegenden Erfindung frühzeitig ein Versagen der Erdungsvorrichtung durch Ermitteln eines über die Rotorwelle fließenden elektrischen Leckagestroms detektierbar ist und somit frühzeitig ein mechanischer Schaden der Lagervorrichtungen vermeidbar ist.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine elektrische Maschine für ein Fahrzeug offenbart, die eine Rotorwelle, die mittels zumindest einer

Lagervorrichtung drehbar gelagert ist, eine Drehmomentsensoreinrichtung, die dazu ausgebildet ist, dass an der Rotorwelle anliegende Drehmoment zu erfassen, und eine Erdungsvorrichtung aufweist, die dazu ausgebildet ist, etwaigen elektrischen Leckagestrom der elektrischen Maschine an der zumindest einen Lagervorrichtung und/oder der Rotorwelle vorbeizuleiten. Die

Drehmomentsensorvorrichtung ist dabei ferner dazu ausgebildet, den etwaigen elektrischen Leckagestrom der elektrischen Maschine, der im Falle einer

Fehlfunktion der Erdungsvorrichtung zumindest teilweise über die Rotorwelle fließt, zu erfassen und somit einen Fehler der Erdungsvorrichtung zu ermitteln.

Der Drehmomentsensor, der zumeist ohnehin schon an einer Rotorwelle einer elektrischen Maschine zur Drehmomenterfassung appliziert ist, kann somit zusätzlich zur Fehlerüberwachung der Erdungsvorrichtung verwendet werden. Insbesondere ist die Erdungsvorrichtung dazu ausgebildet, etwaige elektrische Leckageströme der elektrischen Maschine von der Lagervorrichtung der Rotorwelle fernzuhalten. Sollte ein Fehler dieser Erdungsvorrichtung auftreten, kann der elektrische Leckagestrom erfindungsgemäß mit der Drehmomentsensoreinrichtung frühzeitig erkannt wird, um mechanische Schäden der elektrischen Maschine, insbesondere der Lagervorrichtungen der Rotorwelle, zumindest teilweise zu reduzieren bzw. zu vermeiden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine wird der Fehler der Erdungsvorrichtung anhand des an der Rotorwelle erhöhten Wellenpotentials, das sich infolge des über die Rotorwelle fließenden elektrischen Leckagestroms ergibt, mittels der Drehmomentsensoreinrichtung direkt ermittelt. Insbesondere kann es infolge eines Fehlers der Erdungsvorrichtung zu einem Stromfluss entlang der Rotorwelle kommen, was zu dem Potentialversatz an der Drehmomentsensoreinrichtung infolge des Erdungsstroms führt. Dieser

Potenzialversatz kann erfindungsgemäß über die sogenannte direkte Messung des Wellenpotentials mit der Drehmomentsensoreinrichtung erfasst bzw. ermittelt werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die erfindungsgemäße elektrische Maschine ferner ein Gehäuse auf, in dem die Rotorwelle angeordnet ist. In dieser bevorzugten Ausgestaltung weist die Drehmomentsensoreinrichtung einen an der Rotorwelle angebrachten Drehmomentsensorsender, der dazu ausgebildet ist, das an der Rotorwelle anliegendes Drehmoment anzeigende Drehmomentsignal zu erzeugen, und einen am Gehäuse angebrachten

Drehmomentsensorempfänger auf, der dazu ausgebildet ist, die vom

Drehmomentsensorsender erzeugten Drehmomentsignale zu empfangen.

Insbesondere kann der Drehmomentsensorsender entweder direkt an der

Rotorwelle derart appliziert sein, dass etwaiger Leckagestrom auch durch den Drehmomentsensorsender zumindest teilweise fließt und somit das vom

Drehmomentsensorsender erzeugte Drehmomentsignal signifikant erhöht. In einer solchen Ausgestaltung kann der im Fehlerfall der Erdungsvorrichtung über die Rotorwelle fließende Leckagestrom direkt erfasst werden.

Alternativ kann der Drehmomentsensorsender elektrisch isoliert an der Rotorwelle appliziert sein, so dass etwaiger Leckagestrom nicht durch den

Drehmomentsensorsender fließen kann. Jedoch führt eine solche Applikation des Drehmomentsensorsender an der Rotorwolle zu einer Ausbildung einer Kapazität zwischen dem Drehmomentsensorsender und der Rotorwelle, so dass der etwaige Leckagestrom zu einer parasitären kapazitiven oder induktiven Einkopplung einer Spannung in das Drehmomentsignal des Drehmomentsensorsender führt. In einer solchen Ausgestaltung kann der im Fehlerfall der Erdungsvorrichtung über die Rotorwelle fließende Leckagestrom indirekt über die Spannungseinkopplung erfasst werden.

Vorzugsweise ist der direkt an der Rotorwelle applizierte Drehmomentsensorsender dazu ausgebildet, den entlang der Rotorwelle fließenden elektrischen

Leckagestrom als signifikant erhöhtes Drehmomentsignal zu ermitteln, wobei der Drehmomentsensorempfänger dazu ausgebildet ist, das vom

Drehmomentsensorsender gesendete signifikant erhöhte Drehmomentsignal zu empfangen und den Fehler der Erdungsvorrichtung zu ermitteln.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der elektrischen Maschine ist der Drehmomentsensorsender zumindest ein an der Rotorwelle angebrachter

Dehnungsmessstreifen.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst die erfindungsgemäße elektrische Maschine einen Inverter zum Bereitstellen eines Wechselstroms mit vorbestimmter Schaltfrequenz für die elektrische Maschine. In einer solchen bevorzugten Ausgestaltung ist die an der Rotorwelle elektrisch isoliert applizierte Drehmomentsensoreinrichtung dazu ausgebildet, den Fehler der

Erdungsvorrichtung dadurch zu ermitteln, dass der über die Rotorwelle fließende elektrische Leckagestrom im Wesentlichen proportional zu den parasitären

Kapazitäten und/oder der Schaltfrequenz des Inverters ist. Insbesondere werden dabei hochfrequente Anteile der Spannung in den Drehmomentsensorsender eingekoppelt.

Vorzugsweise handelt es sich bei der Erdungsvorrichtung um einen

Wellenerdungsring, der zwischen einem Gehäuse und der Rotorwelle angeordnet ist. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Ermitteln eines Fehlers einer Erdungsvorrichtung einer elektrischen Maschine für ein Fahrzeug offenbart. Die elektrische Maschine weist eine Rotorwelle, die mittels zumindest einer Lagervorrichtung drehbar gelagert ist, eine

Drehmomentsensoreinrichtung, die dazu ausgebildet ist, das an der Rotorwelle anliegende Drehmoment zu erfassen, und die Erdungsvorrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, etwaigen elektrischen Leckagestrom der elektrischen Maschine an der zumindest einer Lagervorrichtung vorbeizuleiten. Das erfindungsgemäße Verfahren weist ein Ermitteln eines über die Rotorwelle fließenden elektrischen Leckagestroms mittels der Drehmomentsensoreinrichtung und ein Ermitteln eines Fehlers der Erdungsvorrichtung auf, wenn die Drehmomentsensoreinrichtung einen über die Rotorwelle fließenden elektrischen Leckagestrom ermittelt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es also möglich, eine an einer Rotorwelle einer elektrischen Maschine bereits angeordnete Drehmomentsensoreinrichtung zusätzlich zur Fehlerüberwachung der Erdungsvorrichtung zu verwenden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das Ermitteln des über die Rotorwelle fließenden elektrischen Leckagestroms ein Erzeugen ein Drehmomentsignals mittels der Drehmomentsensoreinrichtung auf und das Ermitteln des Fehlers der Erdungsvorrichtung umfasst ein Ermitteln, dass das mittels der Drehmomentsensoreinrichtung erzeugte Drehmomentsignal von einem Referenz-Drehmomentsignal um mehr als einen Drehmomentschwellenwert abweicht. Der Drehmomentschwellenwert beträgt dabei ungefähr 20 %,

vorzugsweise ungefähr 10 %, noch bevorzugter ungefähr 5 % des

Referenz-Drehmomentsignals. Vorzugsweise wird dabei das

Referenz-Drehmomentsignal von den elektrischen Betriebsparametern der elektrischen Maschine abgeleitet.

Liegt eine an der an der Rotorwelle elektrisch isoliert applizierte

Drehmomentsensoreinrichtung vor, so kann das parasitär eingekoppelte

Spannungssignal mittels einer Filtervorrichtung, vorzugsweises einem

Bandpassfilter, gefiltert und aufintegriert werden. Überschreitet das aufintegrierte Signal einen Schwellenwert, kann ein Fehler der Erdungsvorrichtung ermittelt werden.

Insbesondere kann mittels der elektrischen Betriebsparameter der elektrischen Maschine das zu erwartende von der Rotorwelle abgegebene Drehmoment abgeleitet werden, dass dann mittels der Drehmomentsensoreinrichtung bei einer fehlerfreien elektrischen Maschine auch ungefähr tatsächlich ermittelt werden kann. Wenn das von der Drehmomentsensoreinrichtung ermittelte tatsächlich an der Rotorwelle anliegende Drehmoment von dem Referenz-Drehmoment um mehr als den Drehmomentschwellenwert abweicht, kann davon ausgegangen werden, dass ein elektrischer Leckagestrom über die Rotorwelle fließt, der zu dem erhöhten Messsignal der Drehmomentsensoreinrichtung führen kann.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann durch Ausüben der hierin beschriebenen Lehre und Betrachten der beiliegenden Zeichnungen ersichtlich, in denen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer beispielhaften Ausgestaltung einer

erfindungsgemäßen elektrischen Maschine für ein Fahrzeug zeigt, und

Fig. 2 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln eines Fehlers einer Erdungsvorrichtung der elektrischen Maschine der Fig. 1 zeigt.

Die Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer beispielhaften Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 100 für ein Fahrzeug. Die elektrische Maschine 100 kann dabei insbesondere den Antrieb für ein elektrisches Fahrzeug darstellen. Alternativ kann es jedoch denkbar sein, dass die elektrische Maschine für jegliche Arten der Antriebsleistungsbereitstellung genutzt werden kann, wie beispielsweise für den Dauerbetrieb vorgesehene elektrische Maschinen, die beispielsweise in Industrieanlagen bei hoher Last betrieben werden. Die elektrische Maschine 100 der Fig. 1 weist ein Gehäuse 1 10, ein im Gehäuse angeordnete Statorvorrichtung 120 und eine ebenfalls im Gehäuse angeordnete Rotorvorrichtung 130 auf, die einen Rotor 132 und eine Rotorwelle 134 aufweist. Die Rotorwelle ist mittels zumindest einer Lagervorrichtung 136, 138 drehbar im Gehäuse 1 10 gelagert ist. Die Statorvorrichtung 120 ist im Wesentlichen um die Rotorvorrichtung 130 herum angeordnet. Die Rotorwelle 134 ist mit dem Rotor 132 im Wesentlichen starr verbunden.

Die elektrische Maschine 100 umfasst ferner eine Drehmomentsensoreinrichtung 140, die einen Drehmomentsensorsender 142, der an der Rotorwelle 134 appliziert ist, und einen Drehmomentsensorempfänger 144, der am Gehäuse 1 10 angebracht ist, auf. Der Drehmomentsensorsender 142 ist vorzugsweise ein

Dehnungsmessstreifen zum Ermitteln des an der Rotorwelle 134 anliegenden Drehmoments.

Der Drehmomentsensorsender 142 kann Drehmomentsignale erzeugen, die das an der Rotorwelle 134 anliegende Drehmoment anzeigen. Diese Drehmomentsignale können dann an den Drehmomentsensorempfänger 144 drahtlos übertragen werden. Der Drehmomentsensorsender 142 wird über ein magnetisches Feld, welches vom Drehmomentsensorempfänger 144 ausgeht, mit elektrischer Energie versorgt.

Die elektrische Maschine 100 weist ferner eine Erdungsvorrichtung 150 auf, die dazu ausgebildet ist, etwaigen elektrischen Leckagestrom der elektrischen

Maschine 100, insbesondere der Statorvorrichtung 120 und/oder der

Rotorvorrichtung 130, an der Rotorwelle 134 und/oder der zumindest ein

Lagervorrichtung 136, 138 vorbeizuleiten. Die Erdungsvorrichtung150 ist vorzugsweise ein Wellenerdungsring, der in Form eines Schleifrings oder eines Kontaktstifts zwischen der Rotorwelle 134 und dem Gehäuse 1 10 angebracht ist.

Die Versorgung der Statorvorrichtung 120 bzw. der Rotorvorrichtung 130 mit elektrischer Energie erfolgt über einen Inverter 160, der dazu ausgebildet ist, einen dreiphasigen Wechselstrom mit vorbestimmter Schaltfrequenz der elektrischen Maschine 100 bereitzustellen.

Sowohl das Gehäuse 1 10 als auch der Inverter 160 sind über entsprechende Erdungsleitungen 172, 174 mit der Masse verbunden und sind somit elektrisch geerdet. Die Erdungsvorrichtung 150 ist insbesondere dazu ausgebildet, etwaigen elektrischen Leckagestorm, der ohne einer solchen Erdungsvorrichtung 150 durch die zumindest eine Lagervorrichtung 136, 138 fließen würde, an dieser zumindest einen Lagervorrichtung 136, 138 vorbeizuleiten und mittels der Erdungsleitung 174 des Gehäuses 1 10 der Masse zuzuführen. Liegt jedoch ein Fehler der

Erdungsvorrichtung 150 vor, kann der elektrische Leckagestrom dann durch die Lagervorrichtungen 136, 138 strömen und dort mechanische Schäden und/oder erhöhten mechanischen Verschleiß hervorrufen.

Unter Verweis auf die Fig. 2 ist ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines

erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln eines Fehlers der

Erdungsvorrichtung 150 der elektrischen Maschine 100 der Fig. 1 gezeigt.

Das Verfahren der Fig. 2 startet beim Schritt 200 und gelangt dann zum Schritt 210, an dem die Drehmomentsensoreinrichtung 140 das an der Rotorwelle 130 anliegende Drehmoment erfasst. Gleichzeitig kann beim Schritt 210 mit Hilfe der elektrischen Parameter des Inverters 160 das zu erwartende an der Rotorwelle anliegende Drehmoment abgeleitet werden.

In einem darauffolgenden Schritt 230 wird das mittels der

Drehmomentsensoreinrichtung 140 erfasste Drehmoment mit einem

Referenz-Drehmoment verglichen. Weicht das mittels der

Drehmomentsensoreinrichtung 140 ermittelte Drehmoment von dem

Referenz-Drehmoment nicht um mehr als einen Drehmomentschwellenwert ab, so gelangt das Verfahren wieder zum Schritt 210. Insbesondere kann in einem solchen Fall eine fehlerfreie Erdungsvorrichtung 150 ermittelt werden. Wird jedoch beim Schritt 230 bestimmt, dass das mittels der

Drehmomentsensoreinrichtung 140 ermittelte Drehmoment vom

Referenz-Drehmoment um mehr als den Drehmomentschwellenwert abweicht, gelangt das Verfahren zum Schritt 240, an dem ein Fehler der Erdungsvorrichtung 150 ermittelt wird. Insbesondere kommt es infolge eines Fehlers der

Erdungsvorrichtung 150 zu einem elektrischen Stromfluss entlang der Rotorwelle 134, was zu einem Potentialversatz an der Drehmomentsensoreinrichtung 140 infolge des elektrischen Leckagestroms führen kann. Dieser Potentialversatz kann durch die parasitäre kapazitive bzw. induktive Kopplung erfasst werden. Ferner kann die Gleichtaktstörung vom Inverter 160 ausgehen, wobei das Störsignal proportional zu den parasitären Kapazitäten der Schaltfrequenz des Inverters 160 sein kann.

In einer alternativen Ausgestaltung, bei dem eine an der an der Rotorwelle elektrisch isoliert applizierte Drehmomentsensoreinrichtung vorliegt, kann das parasitär eingekoppelte Spannungssignal mittels einer Filtervorrichtung, vorzugsweises einem Bandpassfilter, gefiltert und aufintegriert werden.

Überschreitet das aufintegrierte Signal einen Schwellenwert, kann ein Fehler der Erdungsvorrichtung ermittelt werden.

Erfindungsgemäß kann also mit der zumeist ohnehin schon an der Rotorvorrichtung 130 angebrachten Drehmomentsensoreinrichtung 140 zusätzlich noch eine Fehlerüberwachung der Erdungsvorrichtung 150 erfolgen.