Titel

Elektrische Maschine mit Rotortemperaturüberwachung

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine. Insbesondere ermöglicht die elektrische Maschine eine Ermittlung einer Magnettemperatur zumindest eines Permanentmagneten. Die elektrische Maschine ist insbesondere eine permanenterregte Synchronmaschine.

Aus dem Stand der Technik sind elektrische Maschinen für unterschiedliche Einsatzzwecke bekannt. Bei allen solchen elektrischen Maschinen ist eine Messung einer Temperatur des Rotors nicht einfach umsetzbar, da eine Übertragung zwischen dem sich bewegenden Rotor und dem feststehenden Stator notwendig ist. Aus diesem Grund werden beispielsweise Schleifringsysteme verwendet, um Daten und elektrische Energie zwischen Rotor und Stator zu übertragen.

Eine weitere Möglichkeit ist in der DE 102014 218 381 A1 beschrieben. Dieses Dokument offenbart einen mit der Rotorwelle verbundenen Permanentmagneten, der stirnseitig an der Welle und somit symmetrisch zur Rotorachse angeordnet ist. Wird der Rotor aufgrund dessen Betrieb erwärmt, so überträgt sich diese Wärme auf den Permanentmagneten. Mittels eines Magnetfeldsensors und eines Temperaturmodells, das die Temperaturänderung des Rotors in resultierende Änderungen des Magnetfelds des Permanentmagneten abschätzt, lässt sich die Temperatur des Rotors ermitteln. Da der Magnetfeldsensor in diesem Fall statorfest angeordnet ist, ergeben sich keine Probleme hinsichtlich Datenübertragung oder Energieübertragung zwischen Rotor und Stator. Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße elektrische Maschine ermöglicht eine genaue und zuverlässige Ermittlung der Temperatur des Rotors. Insbesondere wird eine Temperatur zumindest eines Permanentmagneten je Rotorpol ermittelt. Die elektrische Maschine ist eine permanenterregte Synchronmaschine und weist in dem Rotor Permanentmagnete auf. Im Betrieb der elektrischen Maschine erfolgt somit ein Erwärmen dieser Permanentmagnete. Durch die indirekte Messung der Temperatur dieser Permanentmagnete kann durch ein zusätzliches Temperaturmodell des Rotors-eine Maximaltemperatur sicher und zuverlässig ermittelt werden.

Die elektrische Maschine weist einen um eine Rotorachse drehbaren Rotor und eine Messeinrichtung zur berührungslosen Erfassung der Temperatur eines Permanentmagneten des Rotors auf. Die Messeinrichtung wiederum weist einen Magnetfeldsensor und eine Steuerungsvorrichtung auf. Der Rotor umfasst eine Rotorwelle und zumindest ein mit der Rotorwelle gekoppeltes Rotorblechpaket. Außerdem weist der Rotor zumindest einen Permanentmagneten auf.

Der Magnetfeldsensor ist gegenüber dem Rotor feststehend angeordnet und zur Erfassung eines Magnetfelds von zumindest einem Permanentmagneten je Rotorpol ausgebildet. Die Steuerungsvorrichtung ist so ausgebildet, dass aus dem durch den Magnetfeldsensor erfassten Magnetstreufeld eine Temperatur zugehörig zu zumindest einem Permanentmagneten je Rotorpol ermittelt wird. Damit ist für die Temperaturermittlung keinerlei Vorrichtung zur Datenübertragung oder Energieübertragung zwischen Rotor und Stator notwendig, vielmehr erfolgt mittels des statorfesten Magnetsensors eine berührungslose Messung der Temperatur des Permanentmagneten. Die Messung der Temperatur erfolgt anhand des Magnetstreufelds des Permanentmagneten, das sich in Abhängigkeit von dessen Temperatur charakteristisch verändert und somit als Maß für die Temperatur dient.

Das Rotorblechpaket weist zur Ausbildung der permanentmagneterregten Synchronmaschine mehrere, in Richtung des Umfangs des Rotorblechpakets angeordnete Permanentmagnete auf. Die zur Temperaturmessung verwendeten Permanentmagnete sind somit dieselben, die auch zur Verkettung von magnetischen Feldern zwischen Rotor und Stator verwendet werden, um den Rotor anzutreiben. Da während des Betriebs der elektrischen Maschine in diesen Permanentmagneten Verlustleistungen anfallen, erwärmen sich die Permanentmagnete. Um einen Verlust oder eine Schwächung der Magnetisierung zu vermeiden, darf eine Temperatur der Permanentmagnete nicht über einen vordefinierten Schwellwert ansteigen, was mittels des Magnetfeldsensors zuverlässig überwacht werden kann, um gegebenenfalls Gegenmaßnahmen, wie die Verringerung der Ausgangsleistung der elektrischen Maschine, einzuleiten.

Der Magnetfeldsensor ist zur Erfassung der Magnetstreufelder der Permanentmagnete des Rotorblechpakets einer Stirnseite des Rotorblechpakets gegenüberstehend angeordnet ist. Insbesondere ist der Magnetfeldsensor unmittelbar gegenüberstehend zu besagter Stirnseite angeordnet. Dadurch lässt sich das Magnetstreufeld der Permanentmagnete zuverlässig erfassen, wodurch eine zuverlässige Temperaturermittlung gewährleistet ist.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.

Der Magnetfeldsensor ist bevorzugt an einem Gehäuse der elektrischen Maschine befestigt. Insbesondere ist der Magnetfeldsensor an einem Lagerschild der elektrischen Maschine befestigt ist. Auf diese Weise ist bevorzugt eine direkte Anordnung gegenüber der Stirnseite des Rotorblechpakets einfach und aufwandsarm ermöglicht. Der Magnetfeldsensor ist besonders bevorzugt mittels eines den Magnetfeldsensor haltenden Sensorträgers befestigt, wobei der Sensorträger insbesondere ein Gewinderohr ist, das mit seinem Innenvolumen zur Aufnahme des Magnetfeldsensors vorgesehen ist. Das Gewinderohr ermöglicht einerseits einen einfachen und flexiblen Einbau des Magnetfeldsensors, insbesondere als einer der letzten Schritte des Herstellungsprozesses, und andererseits eine optimale Einsteilbarkeit eines Abstands zwischen Stirnfläche des Rotorblechpakets und Magnetfeldsensor.

Der Magnetfeldsensor ist bevorzugt in axialer Richtung bezüglich der Rotorachse gesehen beabstandet zur Stirnseite des Rotorblechpakets angeordnet. Der axiale Abstand beträgt insbesondere maximal 20 mm. Besonders bevorzugt beträgt der Abstand maximal zwischen 1 mm und 8 mm. Durch einen derartigen Abstand zwischen Stirnseite des Rotorblechpakets und Magnetfeldsensor ist eine zuverlässige Erfassung des Magnetfelds der Permanentmagnete erreicht. Dies führt zu verlässlichen Temperaturermittlungen.

Mit dem Magnetfeldsensor ist vorteilhafterweise ein parasitärer Streufluss der Permanentmagnete des Rotorblechpakets erfassbar. Dieser Streufluss tritt insbesondere stirnseitig aus dem Rotor aus und kann somit optimal durch den Magnetfeldsensor erfasst werden. Daher ist die Temperaturerfassung zuverlässig möglich.

Besonders vorteilhaft ist mittels des Magnetfeldsensors zumindest eine der räumlichen Komponenten, das bedeutet eine der x,y, z-Komponenten, des parasitären Streuflusses erfassbar. Die Größe dieser erfassten Komponente ist für die Temperaturermittlung ausreichend, da sich die Größe mit der Temperatur des Permanentmagneten ändert. Durch ein zugrundeliegendes Temperaturmodell kann somit auf die Temperatur des Permanentmagneten geschlossen werden.

Der Rotor weist insbesondere eine Vielzahl von Rotorpolen auf. Jeder Rotorpol wiederum umfasst eine Magnetanordnung mit einem oder mehreren Permanentmagneten. Der Magnetfeldsensor ist bezüglich der radialen Ausrichtung außerzentral zum Rotor angeordnet und liegt somit insbesondere nicht auf der Rotorachse. Insbesondere ist der Magnetfeldsensor in einem radialen Bereich angeordnet, der bezüglich der Rotorachse radial innerhalb einer radial äußersten Kante der Magnetanordnung und radial außerhalb einer radial innersten Kante der Magnetanordnung liegt. Besonders bevorzugt liegt der Magnetfeldsensor radial innerhalb einer radial äußersten Kante eines radial äußersten Permanentmagneten der Magnetanordnung und radial außerhalb einer radial innersten Kante eines radial innersten Permanentmagneten der Magnetanordnung. Somit kann der Magnetfeldsensor die Magnetfelder, insbesondere die Streuflüsse, der Permanentmagnete zuverlässig erfassen. Besonders bevorzugt ist der Magnetfeldsensor größtmöglich von der radialen Außenkante des Rotorblechpakets beabstandet.

In der Steuerungsvorrichtung ist bevorzugt ein vordefiniertes Temperaturmodell hinterlegt. Bei dem Temperaturmodell handelt es sich insbesondere um eine mathematische Korrelationsfunktion oder eine Transformation der Korrelationsfunktion. Das Temperaturmodell modelliert einen Zusammenhang zwischen Temperatur des Permanentmagneten und dem Magnetfeld, insbesondere des Streuflusses, des Permanentmagneten. Die Steuerungsvorrichtung ist bevorzugt ausgebildet, anhand des Temperaturmodells eine Temperatur aus dem erfassten Magnetfeld zu ermitteln.

Die Steuerungsvorrichtung ist bevorzugt weiterhin ausgebildet, eine Drehzahl des Rotors zu ermitteln. Dies erfolgt bevorzugt anhand der Anzahl von erkannten Rotorpolen pro Zeiteinheit. Somit ist neben der zuverlässigen Temperaturermittlung auch eine zuverlässige Drehzahlermittlung des Rotors ermöglicht.

Der Magnetfeldsensor ist besonders bevorzugt ein Hall-Sensor. Dieser ermöglicht eine zuverlässige und genaue Erfassung des Magnetfelds, insbesondere des Streuflusses, der Permanentmagneten. Dies wiederum ermöglicht eine zuverlässige Temperaturermittlung.

Die elektrische Maschine weist außerdem einen Stator auf. Der Stator weist eine Statorwicklung auf. Der Stator wirkt mit dem Rotor elektromagnetisch zusammen, um den Rotor anzutreiben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:

Figur 1 eine erste schematische Ansicht einer elektrischen Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 2 eine zweite schematische Ansicht einer elektrischen Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Figur 3 eine schematische Ansicht eines Signalverlaufs des

Magnetfeldsensors,

Figur 4 eine schematische Ansicht verschiedener Signalverläufe des

Magnetfeldsensors in Abhängigkeit eines Abstandes zwischen Magnetfeldsensor und Permanentmagnet, und Figur 5 eine schematische Ansicht verschiedener Signalverläufe des

Magnetfeldsensors in Abhängigkeit einer Temperatur des Permanentmagnets.

Ausführungsformen der Erfindung

Figur 1 zeigt schematisch eine elektrische Maschine 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Vorderansicht. Die elektrische Maschine 1 weist einen Rotor 2 und einen Stator 3 auf und ist als permanenterregte Synchronmaschine ausgebildet. Der Rotor 2 ist durch den Stator 3 antreibbar und dadurch um eine Rotorachse 100 rotierbar.

Um den Rotor 2 anzutreiben weist der Stator 3 eine Statorwicklung (nicht gezeigt) auf. Der Rotor 2 weist eine Vielzahl von Permanentmagneten 6 auf, die zur Ausbildung der elektrischen Maschine als permanenterregte Synchronmaschine vorgesehen sind und mit der Statorwicklung des Stators 3 Zusammenwirken. Somit tritt in den Permanentmagneten 6 Verlustleistung auf, die zur Erwärmung der Permanentmagneten 6 führt.

Der Rotor 2 weist eine Rotorwelle 2a und zumindest ein auf der Rotorwelle 2a angeordnetes Rotorblechpaket 2b auf. Das Rotorblechpaket 2b dient zur Aufnahme der Permanentmagnete 6. Außerdem ist der Rotor 2 in mehrere Rotorpole 10 unterteilt, die jeweils einen oder mehrere Permanentmagnete 6 aufweisen. Mittels einer statorfesten Messeinrichtung, die einen Magnetfeldsensor 4, insbesondere ein Hall-Sensor, und eine Steuerungsvorrichtung 5 aufweist. Der Magnetfeldsensor 4 ist somit bezüglich des Rotors 2 fest angeordnet. Figur 2 zeigt den Stator 2 der elektrischen Maschine 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel in einer Seitenansicht, wobei zusätzlich die Position des Magnetfeldsensors 4 gezeigt ist. Figur 1 und Figur 2 werden nachfolgend gemeinsam beschrieben.

Der Magnetfeldsensor 4 dient zum Erfassen der Magnetfelder 7A der Permanentmagnete 6. Die Magnetfelder 7 sind in ihrer Größe und Ausbildung abhängig von der Temperatur des jeweiligen Permanentmagneten 6, so dass das Messsignal des Magnetfeldsensors 4 als Messgröße für die Temperatur des Permanentmagneten dient. Dies wird nachfolgend mit Bezug auf Figuren 3 bis 5 beschrieben.

Die Permanentmagnete 6 bewirken ein Hauptmagnetfeld 7B, das zur Verkettung mit einem Magnetfeld der Statorwicklung vorgesehen ist, sowie einen Streufluss 7A. Der Magnetfeldsensor 4 dient insbesondere zum Erfassen der Streuflüsse 7A, insbesondere zum Erfassen einer Komponente der räumlichen Komponenten x, y, z des jeweiligen Streuflusses. Diese treten an einer Stirnseite 12 des Rotorblechpakets 2b aus dem Rotor 2 aus. Somit ist der Magnetfeldsensor 4 unmittelbar gegenüberliegend der Stirnseite 12 angeordnet. Ein axialer Abstand zwischen Magnetfeldsensor 4 und Stirnseite 12 beträgt insbesondere maximal 20 mm, bevorzugt zwischen 1 mm und 8 mm. Dadurch ist ein zuverlässiges Erfassen der Streuflüsse 7A ermöglicht. Der Magnetfeldsensor 4 ist vorteilhafterweise an einem Gehäuse, insbesondere einem Lagerschild 9 der elektrischen Maschine 1 befestigt. Dies ermöglicht ein einfaches Anordnen des Magnetfeldsensors 4 gegenüber der Stirnseite 12 des Rotorblechpakets 2b. Als Sensorträger 11 zur Halterung des Magnetfeldsensors 4 dient insbesondere eine Gewindehülse, die im Inneren den Magnetfeldsensor 4 aufnimmt und mit dem Lagerschild 9 verschraubt ist. Dies ermöglicht einerseits eine einfache Montage des Magnetfeldsensors 4, andererseits lässt sich ein axialer Abstand zwischen Magnetfeldsensor 4 und Stirnseite 12 optimal einstellen.

Besonders bevorzugt liegt der Magnetfeldsensor 4 radial innerhalb einer radial äußersten Kante 6A eines radial äußersten Permanentmagneten 6 der Magnetanordnung jedes Rotorpols 10 und radial außerhalb einer radial innersten Kante eines radial innersten Permanentmagneten der Magnetanordnung. Somit kann der Magnetfeldsensor die Magnetfelder, insbesondere die Streuflüsse, der Permanentmagnete zuverlässig erfassen.

Figur 3 zeigt schematisch einen Signalverlauf des Magnetfeldsensors 4 bei Drehung des Rotors. Die Abszisse zeigt die Zeit und die Ordinate die magnetische Flussdichte. Es ist in Figur 3 gezeigt, dass der Magnetfeldsensor 4 die einzelnen Rotorpole 10 erfasst, die jeweils unterschiedliche Polarität aufweisen. Anhand dieser Information ist es der Steuerungsvorrichtung 5 ermöglicht, eine Drehzahl des Rotors 2 zu ermitteln. Dazu ist der Steuerungsvorrichtung die Anzahl und/oder die radiale Abmessung jedes Rotorpols 10 bekannt. In Figur 3 sind außerdem zwei verschiedene Verläufe gezeigt. Die volle Linie zeigt einen Verlauf bei einer ersten Temperatur der Permanentmagnete 6 an, während der gepunktete Verlauf eine zweite Temperatur der Permanentmagnete 6 zeigt. Die zweite Temperatur ist größer als die erste Temperatur. Somit kann die Steuerungsvorrichtung 5 anhand unterschiedlicher magnetischer Flussdichten unterschiedliche Temperaturen unterscheiden. Damit ist eine Temperaturermittlung der Permanentmagnete 6 zuverlässig ermöglicht.

Die Figur 4 zeigt unterschiedliche Verläufe des Signals des Magnetfeldsensors 4, wobei jedes Signal bei einem bestimmten Abstand zwischen Magnetfeldsensor 4 und Stirnseite 12 bei ansonsten identischen Bedingungen erfasst wurde. Abszisse und Ordinate sind gleich wie in Figur 3. Bei dem ersten Signal 201 beträgt der Abstand 1 mm, bei dem zweiten Signal 202 beträgt der Abstand 2 mm, bei dem dritten Signal 203 beträgt der Abstand 3 mm, bei dem vierten Signal 204 beträgt der Abstand 4 mm und bei dem fünften Signal 205 beträgt der Abstand 5 mm. Es wird daher bevorzugt bei der Montage der elektrischen Maschine 1 ein fester Abstand zwischen Stirnseite 12 und Magnetfeldsensor 4 eingestellt, der außerdem der Steuerungsvorrichtung 5 bekannt ist. Somit kann die Temperaturermittlung durch die Steuerungsvorrichtung 5 zuverlässig erfolgen.

Figur 5 zeigt unterschiedliche Verläufe des Signals des Magnetfeldsensors 4, wobei jedes Signal bei einer unterschiedlichen Temperatur der Permanentmagnete 6 erfasst wurde. Abszisse und Ordinate sind gleich wie in Figur 3. Hier zeigt ein erste Signal 301 eine beispielhafte Temperatur von 20°C, ein zweites Signal 302 eine beispielhafte Temperatur von 90°C und ein drittes Signal 303 eine beispielhafte Temperatur von 160°C. Alle diese Temperaturen zeigen unterschiedliche Signalverläufe. Somit ist vorgesehen, dass in der Steuerungsvorrichtung 5 ein Temperaturmodell vorhanden ist. Das Temperaturmodell ist insbesondere eine mathematische Korrelationsfunktion oder eine Transformation der Korrelationsfunktion. Die Steuerungsvorrichtung 5 so ausgebildet ist, dass anhand des Temperaturmodells eine Temperatur aus dem erfassten Magnetfeld 7, d.h. aus dem erfassten Streufluss 7A, ermittelt wird.

Durch die Erfassung des Streuflusses 7A der Permanentmagnete erfolgt eine unmittelbare Erfassung einer Messgröße für die Temperatur der Permanentmagnete 6. Somit erfolgt eine zuverlässige Ermittlung der maximalen Temperatur des Rotors 2, insbesondere durch ein Temperaturmodell des Rotors 2. Daher ist eine hohe Qualität der Temperaturermittlung gegeben.