CN103222184A - 用于使他励电机运行的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于使他励电机（1）、尤其是同步电机运行的方法和设备。在此，借助传感器装置，指定表征转子温度（Temp_Rotor）和/或定子温度的量，以及由控制单元（3）至少在可预给定的运行范围中根据表征转子温度（Temp_Rotor）和/或定子温度的量来确定电机（1）的定子电流（I_U，I_V，I_W）和励磁电流（I_E）。

Description

用于使他励电机运行的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于使他励电机、尤其是同步电机运行（Betrieb）的方法和设备。
背景技术
电机的额定功率或者标称功率按照国家和地区标准根据运行方式而被给出。为了避免对电机部件的持久损坏，电机被设计为使得不超过所给出的额定功率或借助对电压和/或电流和/或温度的适当监控必要时对功率进行限制。用于部件保护的功率限制常常也被称作“降额（Derating）”。
在电机的各种应用中，譬如在车辆领域中，要考虑如下特别要求和边界条件：所述特别要求和边界条件导致设置在结构大小小的情况下设计具有尽可能高的功率密度的电机的目标。
也公知的是，采用电机作为车辆中的动力源。在将电机作为电动车辆或者混合动力车辆中的动力源进行应用的情况下，在设计电机时也要注意到，始终确保车辆的出车准备就绪（Fahrbereitschaft）并且总是可以提供与驾驶员请求相对应的功率或者与驾驶员请求相对应的转矩。尤其是在这样的应用的情况下，因而该电机的设计和运行策略的目标必须是出于部件保护的原因使自动功率减小尽可能极少地起作用。
对于在混合动力车辆或者电动车辆中的驱动而言，通常采用感应式电机、尤其是感应式同步电机形式的电机，所述电机与脉冲逆变器（常常也被称为逆变器（Inverter））结合地运行。电机在此可选地以电动机运行（Motorbetrieb）或者以发电机运行来运行。在电动机运行中，电机产生驱动力矩，该驱动力矩在使用在混合动力车辆中的情况下（例如在加速阶段中）辅助内燃机。在发电机运行中，电机产生电能，该电能被存储在譬如牵引用蓄电池（Traktionsbatterie）之类的蓄能器中。
与驾驶员请求和必要时与车辆的其他运行参数有关地，确定电机的工作点，该工作点通过电机的转矩和转速来限定。在他励电机的情况下，该工作点可以通过相对应预给定励磁电流和定子电流或者相电流而被调整。公知和常见的是，在预给定的工作点中效率最优地调节他励电机，也就是确定励磁电流和定子电流来使得在效率最优的情况下达到所请求的工作点。这样，例如从DE 198 49 889 A1中公知一种用于功率优化地和效率优化地调节电机的方法，其中形成至少三个调节范围，在所述调节范围中，电机的相电流和励磁电流的调节根据不同的准则来进行，其中励磁电流和定子电流针对任意转速和任意所请求的功率可在数值和相方面自由选择。
发明内容
本发明提出了一种用于使他励电机、尤其是同步电机运行的方法，其中指定表征转子温度和/或定子温度的量，并且至少在可预给定的运行范围中根据表征转子温度和/或定子温度的量来确定电机的励磁电流以及定子电流。
本发明也提出了一种用于使他励电机、尤其是同步电机运行的设备，该设备具有用于检测至少一个表征转子温度和/或定子温度的量的传感器装置（Sensorik）和具有控制单元，该控制单元至少在可预给定的运行范围中根据表征转子温度和/或定子温度的量来确定电机的励磁电流和定子电流。
本发明的优点
在电机中常常只有定子（在特殊情况下也只有转子）可以借助相对应的冷却***、譬如水冷却被冷却。而其他部件、即通常为转子未被冷却。未被冷却的部件由此可是对于过热特别无抵抗力，并且常常是针对用于部件保护的功率减小的触发器。他励电机提供了通过励磁电流和相关的定子电流的多个组合来调整电机的预给定的工作点的可能性，其中电流大小显著地影响相应部件中的放热。本发明基于的基本思想是，必要时使在转子（励磁电流）与定子（定子电流）之间的电流分布偏移，使得对于给定的工作点使定子或转子中的损耗最小化并且因此限制相对应的部件中的放热和温度。在此依据表征转子温度和/或定子温度的量以及必要时依据车辆的其他运行量来确定所改变的电流分布是否必要和/或是否有意义。因此，本发明提供了找到在电机的效率最优的运行与可支配性最优的运行之间的有意义的折衷。
通过本发明可已经在尚不需要减小功率来保护部件的时刻主动地影响转子中或定子中的温度。尤其是，未被冷却的部件的预期过热可以及早地被识别出并且相对应地被对应控制（gegensteuern）。在许多运行情况下，以这种方式可以完全避免出于部件保护原因的功率减小。在被冷却的部件中的通过被改变的电流分布附加地形成的损耗功率可以由为此设置的冷却***来吸收。
根据本发明的一种实施形式，根据表征转子温度和/或定子温度的量形成至少三个运行范围。
为了在尽可能宽的运行范围中效率最优地并且由此尽可能高效地使该电机运行，在转子温度和/或定子温度在可预给定的第一极限值之下的第一运行范围中，针对电机的预给定的工作点（该工作点通过电机的转矩和转速来限定）与表征转子温度和/或定子温度的量无关地以效率优化的方式来确定励磁电流和定子电流。第一极限值由此表征如下转子温度和/或定子温度：直至该转子温度和/或定子温度，无需介入在转子与定子之间的电流分布，因为预期没有过热。
在转子温度和/或定子温度在第一极限值之上但在可预给定的第二极限值之下的第二运行范围中，实行根据本发明的电流分布，并且根据表征转子温度和/或定子温度的量确定励磁电流和定子电流。然而，在此与“常规的”部件保护不同，并不减小电机的最大允许功率。尽管该电机在该运行范围中不再效率最优地运行，但为此实现更高的性能准备就绪（Leistungsbereitschaft），也就是说所要求的功率或所要求的转矩的更长的可支配性。
尽管如此必要时为了保证部件保护，在转子温度和/或定子温度在第二极限值之上的第三运行范围中减小电机的最大允许功率。
在此，可以在第三运行范围中与表征转子温度和/或定子温度的量无关地以效率优化的方式确定励磁电流和定子电流。但是可替换地，也可考虑的是，也在第三运行范围中根据表征定子温度和/或转子温度的量来确定励磁电流和定子电流。通过以这种方式可实现的对定子和/或转子的进一步加热的有针对性影响，可以更小地计量最大允许功率的所需的减小。
如果电机用作车辆的动力源，则电机的励磁电流和定子电流可以在可预给定的运行范围中根据车辆的其他运行参数来确定。同样在该情况下，第一极限值和/或第二极限值可以根据车辆的其他运行参数来确定。
这提供了如下可能性，电流到转子（励磁电流）和定子（定子电流）上的划分最优地与具体的运行条件匹配。这样，例如可以考虑来自导航***的关于尚要行驶的直至至目的地的路段的信息。例如，如果预期有较长的高速公路行驶，则一方面可以降低第一极限值，以便确保尽可能及早地主动影响转子温度和/或定子温度。另一方面，励磁电流可以在第二运行范围中比例如在长距离行驶时更明显地降低，以便尽管预期有高的功率要求但可靠地避免过热。
附图说明
本发明的实施形式的其他特征和优点由以下参照附图的描述得到，所述附图示出了根据本发明的设备的示意性框图。
具体实施方式
图1示意性示出了根据本发明的用于使为感应式电机、优选地感应式同步电机形式的他励电机1运行的设备的框图，该他励电机1用作在其他方面未示出的电动车辆的动力源。在此示例性地所基于的是，仅电机1的定子通过相关的冷却***、例如水冷却而被冷却。而转子未被冷却，并且由此是电机1的在可能的过热方面关键的部件。电机1的功率和运行方式通过激励电路（Ansteuerschaltung）2来确定。该激励电路2在此不仅包括用于调节定子电流I_U、I_V和I_W的部件、譬如脉冲逆变器，而且包括用于调节电机1的励磁电流I_E的部件。要配准（einregeln）的定子电流I_U、I_V和I_W以及要配准的励磁电流I_E由控制单元3被预给定给激励电路2。控制单元3包括功率预给定装置（Leistungsvorgabe）4、励磁电流测定装置（Erregerstromermittlung）5和定子电流测定装置6。基于由功率预给定装置4预给定的期望转矩m_期望，由励磁电流测定装置5测定励磁电流I_E。基于该励磁电流I_E，接着在定子电流测定装置6中测定为了调整电机1的预给定的工作点所需的定子电流I_U、I_V和I_W。电机1的工作点在此通过电机1的转矩和转速来限定，并且以本身公知的方式根据驾驶员请求FW、即由驾驶员要求的请求转矩m_请求和必要时车辆的其他运行参数来确定。
不仅功率预给定装置4而且励磁电流测定装置5都与传感器装置7连接，该传感器装置7检测表征转子温度Temp_Rotor的量，尤其是检测转子温度Temp_Rotor本身。对转子温度Temp_Rotor的直接检测，由于转子运动而在技术上是费事的。因而，可替换于转子中的直接温度测量，转子温度Temp_Rotor也可以借助本身公知的方法根据电机1的可更简单地检测的电运行量B而被指定。励磁电流测定装置4将转子温度Temp_Rotor与可预给定的第一极限值进行比较。只要转子温度Temp_Rotor在第一极限值之下（第一运行范围），励磁电流I_E就针对电机1的预给定的工作点与转子温度Temp_Rotor无关地以本身公知的方式、例如借助特征曲线族而效率优化地被确定。
如果转子温度Temp_Rotor超过第一极限值（第二运行范围），则励磁电流I_E和定子电流I_U、I_V和I_W根据转子温度或表征该转子温度的量来确定。具体而言，在转子与定子之间的电流分布被偏移，使得转子中的电流（励磁电流）相对定子电流的负载被减小。以这种方式减小损耗并且由此减小转子中的放热。因此，可以有针对性地影响转子温度Temp_Rotor，尤其是可以避免转子温度Temp_Rotor的进一步提高，而为此不必减小电机1的最大允许功率P_Max。因为电机1的功率并未降低，所以励磁电流I_E的降低强制导致定子电流I_U、I_V和I_W的提高。但是，由此在定子中形成的附加的损耗功率可以通过定子的冷却***被吸收。
为了可靠地避免对电机1的部件的持久损坏，设置有“部件保护”。在此，功率预给定装置4在块8中根据转子温度Temp_Rotor测定最大允许功率P_Max和/或最大允许转矩m_Max。为此，转子温度Temp_Rotor与第二极限值进行比较，该第二极限值在第一极限值以上。在超过第二极限值时（第三运行范围），减小电机1的最大允许功率P_Max，以便避免对电机1的部件的持久损坏。最大允许功率P_Max和/或最大允许转矩m_Max在块9中与驾驶员请求、即驾驶员所要求的请求转矩m_请求进行比较，其中相应更小的值被转送给励磁电流测定装置5。在第三运行范围中，励磁电流I_E和定子电流I_U、I_V和I_W可以与表征转子温度的量无关地以效率优化的方式被确定。但是可替换地，也可能的是，励磁电流I_E和定子电流I_U、I_V和I_W也在第三运行范围中根据表征转子温度的量来确定。
在第三运行范围中的最大允许功率的减小导致：必要时、即如果由驾驶员所要求的请求转矩超过最大允许功率P_Max或最大允许转矩m_Max，则使电机1的工作点偏移。本发明引起，电机1的最大允许功率P_Max在其中被减小的第三运行范围比在现有技术中公知的方法和设备的情况下明显更少地起作用。
当电机1的励磁电流I_E和定子电流I_U、I_V和I_W和/或在第二运行范围中和必要时也在第三运行范围中的极限值根据车辆的其他运行参数被确定时，该效应还可被增强。以这种方式可以使在定子与转子之间的电流偏移的时刻和程度最优地与车辆的相应运行情形匹配。
依据带有被冷却的定子和未被冷却的转子的电机已阐述了本发明，但是类似地，本发明也可应用于具有被冷却的转子和未被冷却的定子的电机。同样，本发明的应用并不限于感应式电机，而是也可以针对具有更多或更少相的电机被使用。当然，本发明也可应用于在汽车领域之外的电机。

Claims (10)

1.一种用于使他励电机（1）、尤其是同步电机运行的方法，其中，
- 指定表征转子温度（Temp_Rotor）和/或定子温度的量，以及
- 至少在可预给定的运行范围中根据表征转子温度（Temp_Rotor）和/或定子温度的量来确定电机（1）的定子电流（I_U，I_V，I_W）和励磁电流（I_E）。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，根据表征转子温度（Temp_Rotor）和/或定子温度的量来形成至少三个运行范围。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，在转子温度（Temp_Rotor）和/或定子温度在可预给定的第一极限值之下的第一运行范围中，针对电机（1）的通过转矩和转速来限定的预给定的工作点，与转子温度（Temp_Rotor）和/或定子温度无关地以效率优化的方式确定定子电流（I_U，I_V，I_W）和励磁电流（I_E）。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，在转子温度（Temp_Rotor）和/或定子温度在第一极限值之上但在可预给定的第二极限值之下的第二运行范围中，根据表征转子温度（Temp_Rotor）和/或定子温度的量确定电机（1）的定子电流（I_U，I_V，I_W）和励磁电流（I_E），而在此不用减小电机（1）的最大允许功率（P_Max）。
5.根据权利要求2至4之一所述的方法，其中，在转子温度（Temp_Rotor）和/或定子温度在第二极限值之上的第三运行范围中，减小电机（1）的最大允许功率（P_Max）。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，定子电流（I_U，I_V，I_W）和励磁电流（I_E）在第三运行范围中与表征转子温度（Temp_Rotor）和/或定子温度的量无关地以效率优化的方式被确定。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，定子电流（I_U，I_V，I_W）和励磁电流（I_E）在第三运行范围中根据表征转子温度（Temp_Rotor）和/或定子温度的量被确定。
8.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，电机（1）用作车辆的动力源，并且电机（1）的定子电流（I_U，I_V，I_W）和励磁电流（I_E）在可预给定的运行范围中根据车辆的其他运行参数被确定。
9.根据权利要求3至8之一所述的方法，其中，电机（1）用作车辆的动力源，并且第一极限值和/或第二极限值根据车辆的其他运行参数被确定。
10.一种用于使他励电机（1）、尤其是同步电机运行的设备，其具有：
- 用于检测至少一个表征转子温度（Temp_Rotor）和/或定子温度的量的传感器装置（7），以及
- 控制单元（3），该控制单元（3）至少在可预给定的运行范围中根据表征转子温度（Temp_Rotor）和/或定子温度的量来确定电机（1）的定子电流（I_U，I_V，I_W）和励磁电流（I_E）。
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