DE102022200117A1

DE102022200117A1 - Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102022200117A1
Application number: DE102022200117.6A
Authority: DE
Inventors: Joachim Meiser
Original assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Current assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Priority date: 2022-01-07
Filing date: 2022-01-07
Publication date: 2023-07-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine (2), aufweisend einen Elektromotor (4) mit einem Stator mit einer Drehfeldwicklung (19) mit mindestens drei Phasen (U, V, W) und mit einen drehbar innerhalb des Stators gelagerten Rotor mit Permanentmagneten, wobei die Phasen (U, V, W) bei einer Bestromung mit Phasenströmen (lu, Iv, Iw) eine Anzahl von Magnetpolen (66, 68, 70, 72) oder Magnetpolpaaren der Drehfeldwicklung (19) bilden, bei welchem im Zuge einer Kalibrierung für jeden Magnetpol (66, 68, 70, 72) oder jedes Magnetpolpaar der Drehfeldwicklung (19): ein vorgegebener Spannungsvektor an die Drehfeldwicklung (19) angelegt wird, ein resultierendes Positionssignal (64) für die Rotorposition bestimmt wird, ein elektrischer und/oder mechanischer Offset-Wert als Differenz zwischen dem Spannungsvektor und dem Positionssignal (64) bestimmt wird, der bestimmte Offset-Wert hinterlegt wird, und bei welchem die hinterlegten Offset-Werte für eine Berechnung und eine geschlossenen Regelung der Phasenströme (lu, Iv, Iw) zur Bestromung der Drehfeldwicklung (19) verwendet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine, welche einen Elektromotor mit einem Stator mit einer Drehfeldwicklung und mit einem drehbar innerhalb des Stators gelagerten Rotor aufweist, wobei die Phasen bei einer Bestromung mit Phasenströmen eine Anzahl von Magnetpolen oder Magnetpolpaaren bilden. Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektrische Maschine und eine Software zur Durchführung des Verfahrens.
Elektromotorisch an- oder betriebene Verstellsysteme als Kraftfahrzeugkomponenten, wie beispielsweise Fensterheber, Sitzverstellungen, Tür- und Schiebedachantriebe oder Kühlerlüfterantriebe sowie Pumpen und Innenraumgebläse weisen typischerweise einen elektrischen Antrieb mit einem gesteuerten Elektromotor auf. Des Weiteren werden elektrische Maschinen beispielsweise als Antriebe in Form von Nabenmotoren bei elektrisch angetriebenen oder antreibbaren Fahrzeugen, wie insbesondere einem elektrisch angetriebenen oder antreibbaren Zweirad, beispielsweise einem Stehfahrzeug oder E-Scooter oder einem E-Bike oder Pedelec, eingesetzt.
Für solche elektromotorische Antriebe werden zunehmend häufig sogenannte bürstenlose Elektromotoren (bürstenloser Gleichstrommotor, BLDC-Motor) eingesetzt, bei denen die verschleißanfälligen Bürstenelemente eines starren (mechanischen) Kommutators durch eine elektronische Kommutierung des Motorstroms ersetzt sind.
Elektromotorische Antriebe für Kraftfahrzeuge werden in der Regel von einer (Hochvolt-)Batterie als fahrzeuginternem Energiespeicher gespeist, aus welchem der Elektromotor mit elektrischer Energie in Form eines Gleichstroms (Gleichspannung) versorgt wird. Zur Wandlung des Gleichstroms in den Motorstrom ist geeigneterweise ein Stromrichter (Wechselrichter, Inverter) zwischen der Batterie und dem Elektromotor verschaltet. Der Stromrichter weist eine Brückenschaltung auf, welche über einen elektrischen Zwischenkreis mit der Gleichstrom oder Gleichspannung des Energiespeichers versorgt wird. Der Motorstrom wird durch eine pulsweitenmodulierte (PWM) Ansteuerung oder Regelung von Halbleiterschaltern der Brückenschaltung als ein mehrphasiger Ausgangsstrom erzeugt. Durch die Pulse der PWM-Signale werden die Halbleiterschalter getaktet zwischen einem leitenden und einem sperrenden Zustand umgeschaltet.
Die Brückenschaltung speist im Betrieb in die Statorspulen des Elektromotors den Phasen zugeordnete Phasenströme (Motorstrom, Drehstrom) ein, welche in der Folge ein bezüglich des Stators rotierendes magnetisches Drehfeld erzeugen. Der Rotor des Elektromotors weist hierbei geeigneterweise eine Anzahl von Permanentmagneten auf, wobei durch die Wechselwirkung der Permanentmagnete mit dem Drehfeld ein resultierendes Drehmoment erzeugt wird, welches den Rotor in Rotation versetzt.
Die Phasen des erzeugten Drehstroms und des zugehörigen Drehfeldes werden als (Motor-)Phasen bezeichnet. Im übertragenen Sinne werden hierunter auch die jeweils einer solchen Phase zugeordneten Statorspulen (Phasenwicklung) mit den zugehörigen Verbindungsleitungen (Phasenende) verstanden. Die Phasen sind hierbei beispielsweise in einem Sternpunkt einer Sternschaltung miteinander verschaltet.
Für einen effizienten Betrieb ist es notwendig, dass die Phasen zum richtigen Zeitpunkt mit Strom versorgt werden. Hierzu ist beispielsweise eine Vektorregelung, auch feldorientierte Regelung (engl.: Field Oriented Control, FOC) genannt, möglich. Die FOC ist insbesondere für Permanentmagnet-Synchronmaschinen (PMSM) geeignet, da sie ein hohes dynamisches Drehmomentverhalten aufweist. Für die FOC sind jedoch Informationen über die Ausrichtung des Rotorflusses erforderlich, die in der Regel mit einem am Rotor oder einer Motorwelle montierten Positionssensor ermittelt werden. Die relative Verschiebung zwischen dem Positionssensor und dem Nullpunkt des Rotors ist eine wichtige Kalibrierung, welche erforderlich ist, um das statorseitig erzeugte Drehfeld hinsichtlich des Rotormagnetfelds korrekt auszurichten.
Bei einer FOC wird der Drehstrom (die Phasenströme) als zwei orthogonale Komponenten identifiziert, die mit einem Stromraumvektor visualisiert werden können. Die eine Komponente (Direktkomponente) definiert den magnetischen Fluss des Motors, die andere das Drehmoment (Quadraturstrom). Die feldorientierte Regelung regelt den Drehstrom in einem d/q-Koordinatensystem (Referenzsystem, Bezugsystem) des Elektromotors. Im Idealfall ist der Stromraumvektor in Bezug auf den Rotor in Betrag und Richtung (Quadratur) fest, also unabhängig von der Rotation. Da der Stromraumvektor im d/q- Referenzsystem statisch ist, erfolgt die Stromregelung anhand von Gleichstromsignalen. Dies isoliert die Regler von den zeitlich variierenden Wicklungsströmen und -spannungen und eliminiert daher die Begrenzung des Reglerfrequenzugangs und der Phasenverschiebung auf das Motordrehmoment und die Drehzahl.
Der Elektromotor weist hierbei eine zugeordnete Motorsteuerung auf, welche die entsprechenden Stromkomponenten-Sollwerte aus den Fluss- und Drehmoment-Sollwerten, welche von einer Drehzahlregelung vorgegeben werden, bestimmt.
Um die elektronische Kommutierung des Elektromotors somit zeitlich korrekt vorzugeben und eine effektive FOC realisieren zu können, ist eine ausreichend genaue Kenntnis der Rotorposition hinsichtlich der Drehfeldwicklung notwendig, damit die erforderliche Koordinatentransformationen in das d/q-Koordinatensystem zuverlässig ausführbar sind. Bei der Bestimmung der Rotorposition ist hierbei auch ein Offset (Offsetwinkel) zu berücksichtigen, welcher insbesondere eine Abweichung einer tatsächlichen Nulllage von einer erfassten Rotorlage angibt. Ein mechanischer Offset bezieht sich hierbei auf eine absolute Abweichung zur mechanischen Lage des Rotors, wobei ein elektrischer Offset insbesondere die für die Kommutierung der Phasenströme relevante Lageabweichung angibt.
Ein mechanischer Offset kann beispielsweise dadurch entstehen, dass ein Hallmagnet in einer im wesentlichen zufälligen Ausrichtung an der Motorwelle angebracht wird, so dass eine Winkelabweichung zwischen der durch einen Hallsensor erfassten Rotorlage und der tatsächlichen Rotorlage entsteht. Ein elektrischer Offset tritt beispielsweise auf, wenn ein magnetisches Zentrum eines Magnetpolpaars verschoben ist. Dies tritt beispielsweise bei Statoren mit stanzpaketierten Blechpaketen auf, wenn aufgrund von Toleranzen beim Stanzen der Statorblechlagen und/oder aufgrund von Toleranzen einer Isolierung zwischen den Statorblechlagen Varianzen und Abweichungen entstehen.
In der Regel wird hierbei lediglich ein mechanischer Offset hinsichtlich der Ausrichtung bezüglich eines Positions- oder Lagesensors anhand eines Ausrichtungsprozesses kalibriert und hinterlegt. Offsets zwischen den Magnetpolen oder Magnetpolpaaren innerhalb der Drehfeldwicklung bleiben hierbei typischerweise unberücksichtigt. Die Folge ist eine periodische Störung, welche zu Fehlern in der Positionsbestimmung und/oder Drehzahlbestimmung führen kann, und somit die Regelung des Motorbetriebs erschwert. Dies kann sich beispielsweise nachteilig auf den Wirkungsgrad, die Akustik, oder die Stabilität der elektrischen Maschine beziehungsweise des Elektromotors auswirken.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine anzugeben. Insbesondere soll eine möglichst genaue Kalibrierung von mechanischen und/oder elektrischen Offsets realisiert werden. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine besonders geeignete elektrische Maschine und eine besonders geeignete Software anzugeben.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich der elektrischen Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 8 erfindungsgemäß sowie hinsichtlich der Software mit den Merkmalen des Anspruchs 10 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Betrieb einer elektrische Maschine vorgesehen, sowie dafür geeignet und eingerichtet. Die elektrische Maschine ist beispielsweise als eine elektromotorische Antriebs- oder Traktionsmaschine für ein Kraftfahrzeug, beispielsweise ein elektrisch angetriebenes oder antreibbares Kraftfahrzeug, wie insbesondere einem elektrisch angetriebenen oder antreibbaren Zweirad, ausgeführt. Der zugehörige Elektromotor ist hierbei insbesondere als ein Permanentmagnet-Synchronmotor beziehungsweise als eine Permanentmagnet-Synchronmaschine ausgeführt, und weist einen Stator mit einer Drehfeldwicklung mit mindestens drei Phasen und einen drehbar innerhalb des Stators gelagerten Rotor mit Permanentmagneten auf. Die Phasen der Drehfeldwicklung bilden bei einer Bestromung mit Phasenströmen eine Anzahl von Magnetpolen oder Magnetpolpaaren zur Erzeugung des magnetischen Drehfeldes, welches durch die Wechselwirkung mit den Permanentmagnete ein den Rotor in Rotation versetzendes Drehmoment bewirkt.
Erfindungsgemäß wird eine (Offset-)Kalibrierung für jeden Magnetpol oder jedes Magnetpolpaar der Drehfeldwicklung durchgeführt.
Für jeden Magnetpol oder jedes Magnetpolpaar wird hierbei ein Ausrichtungsprozess durchgeführt, bei welchem ein jeweils vorgegebener Strom- oder Spannungsvektor an die Drehfeldwicklung angelegt wird. Mit anderen Worten wird mittels der Drehfeldwicklung ein Magnetfeld mit einer vorgegebenen Orientierung erzeugt. Beispielsweise wird der jeweilige Magnetpol oder das jeweilige Magnetpolpaar bestromt. Das resultierende Drehmoment bewegt oder rotiert den Rotor, so dass sich dieser in dem Magnetfeld des Stators ausrichtet. Alternativ kann auch ein drehender Strom- oder Spannungsvektor mit konstanter Amplitude zur Ausrichtung vorgegeben werden.
Anschließend wird die Rotorposition anhand eines resultierenden Positionssignals bestimmt. Das Positionssignal kann hierbei beispielsweise mittels eines Positionssensors (z.B. Hallsensor, Resolver, Drehencoder) erfasst oder gemessen werden. Das Positionssignal ist ein Maß für die (Winkel-)Lage oder Stellung des Rotors bezüglich des Stators, und gibt beispielsweise eine mechanische Position oder eine elektrische Position des Rotors an. Die mechanische Position (mechanischer Winkel) beschreibt hierbei insbesondere die absolute mechanische Lage des Rotors zum Stator, wobei die elektrische Position (elektrischer Winkel) insbesondere den für die Kommutierung des Motorstroms maßgebenden Lagewert beschreibt.
Aus der bestimmten Rotorposition und der bekannten Orientierung des Spannungsvektors wird ein elektrischer und/oder mechanischer Offset-Wert, also eine Abweichung zur elektrischen und/oder mechanischen Position, beispielsweise aufgrund eines elektrischen und/oder mechanischen (Winkel-)Jitters, bestimmt. Unter einem elektrischen und/oder mechanischen Offset-Wert ist hierbei auch ein mechanischer-zu-elektrischer Offset oder ein elektrisch-zu-mechanischer Offset zu verstehen. Der Offset-Wert wird hierbei als Differenz, insbesondere als Winkeldifferenz, zwischen dem Spannungsvektor und dem Positionssignal bestimmt.
Die Konjunktion „und/oder“ ist hier und im Folgenden derart zu verstehen, dass die mittels dieser Konjunktion verknüpften Merkmale sowohl gemeinsam als auch als Alternativen zueinander ausgebildet sein können.
Der Offset-Wert wird für jeden Magnetpol oder jedes Magnetpolpaar hinterlegt, also beispielsweise in einer (Look-Up-)Tabelle gespeichert. Dadurch sind eine der Anzahl der Magnetpole oder der Anzahl der Magnetpolpaare entsprechende Anzahl von Offset-Werten hinterlegt. Die hinterlegten Offset-Werte werden verfahrensgemäß für eine Berechnung und eine geschlossene Regelung der Phasenströme, also des Dreh- oder Motorstroms, zur Bestromung der Drehfeldwicklung verwendet. Die Phasenströme werden hierbei vorzugsweise mittels einer feldorientierten Regelung geregelt. Dadurch ist ein besonders geeignetes Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine realisiert.
Durch das Verfahren werden die elektrischen und/oder mechanischen Offsets für jeden Magnetpol oder jedes Magnetpolpaar des Elektromotors bestimmt, so dass durch die erfindungsgemäße Kalibrierung eine bessere Qualität der Phasenstromregelung, und in der Folge eine geringere Fehlausrichtung des Rotors während des Motorbetriebs, realisiert ist. Dadurch wird die Qualität und Gleichmäßigkeit des erzeugten Drehmoments verbessert, so dass Drehmomentschwankungen reduziert und die Motorakustik verbessert werden.
In einer vorteilhaften Ausführung wird zwischen den Offset-Werten interpoliert, wobei die Berechnung und geschlossene Regelung der Phasenströme anhand der hinterlegten und interpolierten Offset-Werte erfolgt. Beispielsweise ist es hierbei denkbar, dass die Offset-Werte segmentweise für die mechanische Rotation des Rotors interpoliert werden. Dadurch wird die Stromregelung der Phasenströme weiter verbessert.
In einer bevorzugten Ausbildung weist die Drehfeldwicklung mindestens sechs Phasen auf, welche ansteuertechnisch in eine Anzahl von dreiphasigen Teilsystemen gegliedert sind. Die Drehfeldwicklung weist hierbei insbesondere 3 x n Phasen auf, wobei n > 1 ist. Hierbei wird die Kalibrierung für jedes der Teilsysteme durchgeführt. Dadurch wird die Stromregelung bei mehrphasigen Elektromotoren (Multiphasenantrieben) verbessert.
Vorzugsweise wird die Kalibrierung der Teilsysteme hierbei nacheinander durchgeführt. Insbesondere wird hierbei anhand der Kalibrierungen ein Offset-Wert für den elektrischen und/oder mechanischen Versatz zwischen den Teilsystemen bestimmt und hinterlegt. Die Teilsysteme können hierbei beispielsweise aufgrund eines Wickeloffsets unterschiedliche Verhalten aufweisen. Durch die Bestimmung des Versatzes zwischen den Teilsystemen ist hierbei eine einfache und zuverlässige Bestimmung des mechanischen und/oder elektrischen Wickeloffsets realisierbar, wodurch eine besonders effektive Stromregelung bei mehrphasigen Elektromotoren gewährleistet ist.
In einer denkbaren Ausgestaltung wird die Kalibrierung im Zuge der Herstellung des Elektromotors ausgeführt. Insbesondere wird die Kalibrierung als eine End-of-Line Kalibrierung durchgeführt. Hierbei ist es beispielsweise denkbar, dass der Elektromotor beziehungsweise die elektrische Maschine sensorlos, also ohne einen dedizierten Positionssensor für den Rotor ausgeführt ist, das Positionssignal wird also mittels eines motor- oder maschinenexternen Positionssensors bestimmt. Dadurch ist ein besonders kostengünstiger Elektromotor gewährleistet.
Alternativ weist die elektrische Maschine beziehungsweise der Elektromotor einen Positionssensor für den Rotor auf. Hierbei kann das Verfahren beziehungsweise die Kalibrierung beispielsweise bei einer erstmaligen Inbetriebnahme oder vor jeder Inbetriebnahme durchgeführt werden. Beispielsweise ist es auch möglich, dass die Kalibrierung regelmäßig, also beispielsweise nach einer bestimmten Zeitdauer oder nach einer bestimmten Anzahl von Anfahrvorgängen wiederholt wird. Ebenso möglich ist beispielsweise, dass die Kalibrierung durch einen Benutzer auslösbar ist.
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine ist für ein Kraftfahrzeug vorgesehen, sowie dafür geeignet und eingerichtet. Die elektrische Maschine ist beispielsweise als ein Nabenantrieb für ein elektrisch angetriebenes oder antreibbares Fahrzeug, wie insbesondere einem elektrisch angetriebenen oder antreibbaren Zweirad, beispielsweise einem E-Scooter, ausgeführt. Die im Hinblick auf das Verfahren angeführten Vorteile und Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf die elektrische Maschine übertragbar und umgekehrt.
Die elektrische Maschine weist einen bürstenlosen Elektromotor, insbesondere einen Permanentmagnet-Synchronmotor, auf. Der Elektromotor weist hierbei einen Stator mit einer Drehfeldwicklung mit mindestens drei Phasen und einen drehbar innerhalb des Stators gelagerten Rotor mit Permanentmagneten auf, wobei die Phasen bei einer Bestromung mit Phasenströmen eine Anzahl von Magnetpolen oder Magnetpolpaaren der Drehfeldwicklung bilden.
Zur Bestromung der Drehfeldwicklung ist der Elektromotor beispielsweise mittels eines Wechselrichters an einen Energiespeicher (Fahrzeugbatterie) angeschlossen. Der Wechselrichter weist eine Elektronik auf, welche vorzugsweise mit einem Controller (das heißt einer Steuereinheit) gekoppelt ist. Der Controller weist beispielsweise eine Stromregelung zur insbesondere feldorientierten Regelung des Motorbetriebs beziehungsweise der Phasenströme (des Motorstroms) auf.
Der Controller ist hierbei allgemein - programm- und/oder schaltungstechnisch - zur Durchführung des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. Der Controller ist somit konkret dazu eingerichtet, eine Kalibrierung der mechanischen und/oder elektrischen Offsets für jeden Magnetpol oder jedes Magnetpolpaar der Drehfeldwicklung durchzuführen, und anhand der bestimmten Offset-Werte eine insbesondere feldorientierte Regelung der Phasenströme zu realisieren.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform ist der Controller zumindest im Kern durch einen Mikrocontroller mit einem Prozessor und einem Datenspeicher gebildet, in dem die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form einer Betriebssoftware (Firmware) programmtechnisch implementiert ist, so dass das Verfahren - gegebenenfalls in Interaktion mit einem Maschinennutzer - bei Ausführung der Betriebssoftware in dem Mikrocontroller automatisch durchgeführt wird. Der Controller kann im Rahmen der Erfindung alternativ aber auch durch ein nicht-programmierbares elektronisches Bauteil, wie zum Beispiel einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC), gebildet sein, in dem die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit schaltungstechnischen Mitteln implementiert ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Rotor wellenfest mit einer Motorwelle gefügt, wobei an der Motorwelle, insbesondere an einer Stirnseite oder einem Wellenende, ein Positionssensor zur Erfassung des Positionssignals angeordnet ist. Der Positionssensor dient hierbei insbesondere zur Positions- oder Lageerfassung des Rotors bei niedrigen Drehzahlen und im Zuge der Kalibrierung. Bei höheren Drehzahlen, bei welchen eine induzierte Gegen-EMK ausreichend hoch ist, erfolgt vorzugsweise eine sensorlose Positionsbestimmung der Rotorposition.
Geeigneterweise ist der Controller hierbei als selbst-adaptiver Controller ausgeführt. Dies bedeutet, dass der Controller dazu vorgesehen und eingerichtet ist, die Offset-Werte während der Lebensdauer des Elektromotors neu zu kalibrieren. Mit anderen Worten werden die Offset-Werte während des Motorbetriebs von dem Controller aktualisiert. Die Aktualisierung oder Neu-Kalibrierung erfolgt hierbei beispielsweise regelmäßig oder vorzugsweise kontinuierlich, also im Wesentlichen unterbrechungsfrei.
Ein zusätzlicher oder weiterer Aspekt der Erfindung sieht eine Software auf einem Medium oder Datenträger zur Durchführung oder Ausführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens vor. Dies bedeutet, dass die Software auf einem Datenträger hinterlegt ist, und zur Ausführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens vorgesehen, sowie dafür geeignet und ausgestaltet ist, wenn die Software auf einem Computer oder einem Rechner abläuft. Dadurch ist eine besonders geeignete Software für den Betrieb einer elektrischen Maschine realisiert, mit welcher die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens programmtechnisch implementiert wird. Die Software ist somit insbesondere eine Betriebssoftware (Firmware), wobei der Datenträger beispielsweise ein Datenspeicher des Controllers ist, und wobei der Computer insbesondere ein Prozessor des Controllers ist. Dabei gelten die Ausführungen im Zusammenhang mit dem Verfahren und/oder der elektrischen Maschine sinngemäß auch für die Software und umgekehrt.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

1 eine elektrische Maschine mit einer Stromquelle und mit einem Elektromotor sowie mit einem dazwischen verschalteten Stromrichter,
2 drei Phasenwicklungen eines dreiphasigen Elektromotors der Maschine in Sternschaltung,
3 ein Brückenmodul einer Brückenschaltung des Stromrichters zur Ansteuerung einer Phasenwicklung des Elektromotors,
4 ein Ersatzschaltbild für die Stromquelle,
5 bis 7 in vereinfachten Polardarstellungen die Phasen einer elektrischen Maschine mit zwei 5-poligen Teilsystemen ohne mechanischen und/oder elektrischen Offset,
8 bis 10 in vereinfachten Polardarstellungen die Phasen einer elektrischen Maschine mit zwei 5-poligen Teilsystemen konstanten Offset zueinander, und
11 bis 13 in vereinfachten Polardarstellungen die Phasen einer elektrischen Maschine mit zwei 5-poligen Teilsystemen, wobei jedes Teilsystem zufällige Offsets zwischen den Magnetpolen aufweist.

Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die 1 zeigt eine elektrische Maschine 2 für einen elektromotorischen Antrieb eines nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugs, beispielsweise einen Nabenantrieb für ein elektrisch angetriebenes oder antreibbares Kraftfahrzeug, wie insbesondere einem elektrisch angetriebenen oder antreibbaren Zweirad, beispielsweise einem E-Scooter. Die elektrische Maschine 2 umfasst hierzu einen dreiphasigen bürstenlosen Elektromotor 4, welcher mittels eines Stromrichters (Umrichter, Wechselrichter) 6 an eine Stromquelle (Spannungsversorgung) 8 angeschlossen ist. Die Stromquelle 8 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel einen fahrzeuginternen Energiespeicher in Form einer (Kraftfahrzeug-)Batterie 10, sowie einen damit verbundenen (Gleichspannungs-)Zwischenkreis 12, welcher sich zumindest teilweise in den Stromrichter 6 erstreckt.
Der Zwischenkreis 12 ist im Wesentlichen durch eine Hinleitung 12a und eine Rückleitung 12b gebildet, mittels welchen der Stromrichter 6 an die Batterie 10 angeschlossen ist. Die Leitungen 12a und 12b sind zumindest teilweise in den Stromrichter 6 geführt, in welchen zwischen diesen ein Zwischenkreiskondensator 14 sowie eine Brückenschaltung 16 verschaltet sind.
Im Betrieb der elektrischen Maschine 2 wird ein der Brückenschaltung 16 zugeführter Eingangsstrom I_E in einen dreiphasigen Ausgangsstrom (Motorstrom, Drehstrom) lu, Iv, Iw für die drei Phasen U, V, W des Elektromotors 4 gewandelt. Die nachfolgend auch als Phasenströme bezeichneten Ausgangsströme lu, Iv, Iw werden an die entsprechenden Phasen(-wicklungen) U, V, W (2) eines nicht näher dargestellten Stators geführt. Der Elektromotor 4 ist hierbei als ein Permanentmagnet-Synchronmotor ausgeführt, und weist einen mit Permanentmagneten versehenen Rotor auf, welcher drehbar oder rotierbar relativ zum Stator angeordnet ist.
In der 2 ist eine Sternschaltung 18 der drei Phasenwicklungen U, V, W dargestellt. Die Phasen oder Phasenwicklungen U, V, W bilden hierbei eine Drehfeldwicklung 19 des Stators. Die Phasenwicklungen U, V und W sind mit jeweils einem (Phasen-)Ende 22, 24, 26 an ein jeweiliges Brückenmodul 20 (3) der Brückenschaltung 16 geführt, und mit dem jeweils gegenüberliegenden Ende in einem Stern-punkt 28 als gemeinsamen Verbindungsanschluss miteinander verschaltet. In der Darstellung der 2 sind die Phasenwicklungen U, V und W jeweils mittels eines Ersatzschaltbildes in Form einer Induktivität 30 und eines ohmschen Widerstandes 32 sowie einem jeweiligen Spannungsabfall 34, 36, 38 gezeigt. Die jeweils über die Phasenwicklung U, V, W abfallende Spannung 34, 36, 38 ist schematisch durch Pfeile repräsentiert und ergibt sich aus der Summe der Spannungsabfälle über der Induktivität 30 und dem ohmschen Widerstand 32 sowie der induzierten Spannung 40. Die durch eine Bewegung eines Rotors des Elektromotors 4 induzierte Spannung 40 (elektromagnetische Kraft, EMK, EMF) ist in der 2 anhand eines Kreises dargestellt.
Die Ansteuerung der Sternschaltung 18 erfolgt mittels der Brückenschaltung 16. Die Brückenschaltung 16 ist mit den Brückenmodulen 20 insbesondere als eine B6-Schaltung ausgeführt. In dieser Ausgestaltungsform wird im Betrieb an jede der Phasenwicklungen U, V, W in hoher Schaltfrequenz getaktet zwischen einem hohen (Gleich-)Spannungsniveau der Zuleitung 12a und einem niedrigen Spannungsniveau der Rückleitung 12b umgeschaltet. Das hohe Spannungsniveau ist hierbei insbesondere eine Zwischenkreisspannung U_ZK des Zwischenkreises 12, wobei das niedrige Spannungsniveau vorzugsweise ein Erdpotential UG ist. Diese getaktete Ansteuerung ist als eine - in 1 mittels Pfeilen dargestellte - PWM-Ansteuerung durch einen Controller 42 ausgeführt, mit welcher eine Steuerung und/oder Regelung der Drehzahl, der Leistung sowie der Drehrichtung des Elektromotors 4 möglich ist.
Die Brückenmodule 20 umfassen jeweils zwei Halbleiterschalter 44 und 46, welche in der 2 lediglich schematisch und beispielhaft für die Phase W dargestellt sind. Das Brückenmodul 20 ist einerseits mit einem Potentialanschluss 48 an die Zuleitung 12a und somit an die Zwischenkreisspannung U_ZK angeschlossen. Andererseits ist das Brückenmodul 20 mit einem zweiten Potentialanschluss 50 an die Rückleitung 12b und somit an das Erdpotential U_G kontaktiert. Über die Halbleiterschalter 44, 46 ist das jeweilige Phasenende 22, 24, 26 der Phase U, V, W entweder mit der Zwischenkreisspannung U_ZK oder mit dem Erdpotential U_G verbindbar. Wird der Halbleiterschalter 44 geschlossen (leitend) und der Halbleiterschalter 46 geöffnet (nichtleitend, sperrend), so ist das Phasenende 22, 24, 26 mit dem Potential der Zwischenkreisspannung U_ZK verbunden. Entsprechend ist bei einem Öffnen des Halbleiterschalters 44 und einem Schließen des Halbleiterschalters 46 die Phase U, V, W mit dem Erdpotential U_G kontaktiert. Dadurch ist es mittels der PWM-Ansteuerung möglich, jede Phasenwicklung U, V, W mit zwei unterschiedlichen Spannungsniveaus zu beaufschlagen.
In der 3 ist ein einzelnes Brückenmodul 20 vereinfacht dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Halbleiterschalter 44 und 46 als MOSFETs (metaloxide semiconductor field-effect transistor) realisiert, die jeweils mittels der PWM-Ansteuerung zwischen einem durchgeschalteten Zustand auf und einem sperrenden Zustand getaktet umschalten. Hierzu sind die jeweiligen Gateanschlüsse an entsprechende Steuerspannungseingänge 52, 54 geführt, mittels welcher die Signale der PWM-Ansteuerung des Controllers 42 übertragen werden.
Die 4 zeigt ein Ersatzschaltbild für die Stromquelle 8. Im Betrieb erzeugt die Batterie 10 eine Batterieleistung P_Bat (5), eine Batteriespannung U_Bat sowie einen entsprechenden Batteriestrom I_Bat zum Betrieb des Stromrichters 6. In der 4 ist der Innenwiderstand der Batterie 10 als ein ohmscher Widerstand 56 und eine Eigeninduktivität der Batterie 10 als eine Induktivität 58 dargestellt. In der Rückleitung 12b ist ein Shuntwiderstand 60 geschaltet, an welchem die Zwischenkreisspannung U_ZK abfällt.
Abhängig von den Schaltzuständen der (Leistungs-)Halbleiterschalter 44, 46 fließt der Phasenstrom lu, Iv, Iw über den Shuntwiderstand 60. Der Spannungsabfall über dem Shuntwiderstand 60 wird verstärkt und ausgewertet. Mit Messungen und dem Kenntnisstand der Schaltzustände der Halbleiterschalter 44, 46 werden die Phasenströme lu, Iv, Iw von dem Controller 42 rekonstruiert. Es können auch andere Messmethoden zur Ermittlung der Motorströme verwendet werden (z. B. direkte Phasenstrommessung). Zusammen mit den gemessenen und/oder berechneten Phasenspannungen (Uu, Uv, Uw) stehen dem Controller 42 die Phasenspannungen Uu, Uv, Uw und die Phasenströme lu, Iv, lw zur Verfügung.
Die elektrische Maschine 2 weist weiterhin einen Positionssensor 62, beispielsweise einen Resolver oder Hallsensor, zur Erfassung einer Rotorposition 64 auf. Beispielsweise ist ein zweipoliger Hallmagnet an einer Wellenstirnseite oder einem Wellenende angeordnet, dessen Magnetfeld mittels eines Hallsensors erfasst wird.
Der Controller 42 ist zur insbesondere feldorientierten Regelung (FOC) der Phasenströme lu, Iv, Iw vorgesehen sowie dafür geeignet und eingerichtet. Hierbei werden die Phasenspannungen Uu, Uv, Uw und/oder die Phasenströme lu, Iv, Iw anhand des Positionssignals 64 in ein rotorfestes d/q-Koordinatensystem gewandelt.
In den 5 bis 13 sind die Phasenlagen einer elektrischen Maschine 2 mit einem Elektromotor 4 mit zwei 5-poligen Teilsystemen für unterschiedliche elektrische und/oder mechanische Offsets gezeigt. Die 5, 8 und 11 zeigen hierbei jeweils eine Polardarstellung der Phasenlagen, wobei die 6, 9 und 12 eine ausgerollte lineare Darstellung Phasenlagen und die 7, 10 und 13 jeweils vergrößert insbesondere das erste und zweite Magnetpolpaar des ersten Teilsystems zeigen, wobei horizontal, also entlang der Abszissenachse (X-Achse), die Winkellage aufgetragen ist.
Das erste Teilsystem weist hierbei beispielsweise fünf positive Magnetpole 66 und fünf negative Magnetpole 68 auf, welche zusammen fünf Magnetpolpaare bilden. Entsprechend weist das zweite Teilsystem fünf positive Magnetpole 70 und fünf negative Magnetpole 72 auf, welche zusammen fünf Magnetpolpaare bilden. Die Magnetpole 66, 68, 70, 72 beziehungsweise Magnetpolpaare werden hierbei durch die bestromten Spulenwicklungen der Drehfeldwicklung 19 gebildet.
In den Darstellungen der 5 bis 7 ist die Phasenlage der Magnetpole 66, 68, 70, 72 ohne mechanischen und elektrischen Offset gezeigt, wobei die Teilsysteme zueinander einen elektrischen Phasenversatz von 180° aufweisen. Die jeweils fünf Magnetpole 66, 68, 70, 72 sind hierbei gleichmäßig verteilt angeordnet, also weisen jeweils zueinander einen Winkelversatz von 72° auf. Die Magnetpole 66 und 68 beziehungsweise 70 und 72 der Magnetpolpaare sind hierbei jeweils gegenüberliegend zueinander angeordnet.
In den Darstellungen der 8 bis 10 ist die Phasenlage des zweiten Teilsystems um einen Offset 74 gegenüber der Lage in den 5 bis 6 versetz. Der Offset 74 ist in den Figuren schematisch als Pfeil dargestellt. Der Offset 74 ist hierbei ein mechanischen Offset von +4° beziehungsweise ein elektrischer Offset von + 20°. Entsprechend sind die der Magnetpole 70, 72 des zweiten Teilsystems gegenüber der in den 4 bis 6 um den Offset 74 verschoben.
In den Darstellungen der 11 bis 13 ist die Phasenlage Teilsysteme mit einem zufälligen Offset-Jitter auf. Mit anderen Worten ist die Phasenlage für jeden Magnetpol 66, 68, 70, 72 mit einem zufälligen Offset 74 zwischen ± 3° für den mechanischen Offset beziehungsweise zwischen ± 15° für den elektrischen Offset versehen. In den 11 bis 13 ist der Offset 74 hierbei lediglich für die ersten zwei Magnetpolpaare beispielhaft eingezeichnet.
Nachfolgend ist insbesondere anhand der 7 bis 12 ein Verfahren ist zum Betrieb der elektrische Maschine 2 näher erläutert.
Verfahrensgemäß wird eine (Offset-)Kalibrierung für jeden Magnetpol 66, 68, 70, 72 oder jedes Magnetpolpaar der Drehfeldwicklung 19 durchgeführt. Für jeden Magnetpol 66, 68, 70, 72 oder jedes Magnetpolpaar wird hierbei ein Ausrichtungsprozess durchgeführt, bei welchem ein jeweils vorgegebener Spannungsvektor (zusammengesetzt aus den Phasenspannungen Uu, Uv, Uw) an die Drehfeldwicklung 19 angelegt wird. Mit anderen Worten wird die Drehfeldwicklung 19 für jeden Magnetpol 66, 68, 70, 72 oder jedes Magnetpolpaar in bestimmter Weise bestromt, so dass mittels der Drehfeldwicklung 19 ein Magnetfeld mit einer jeweils vorgegebenen Orientierung erzeugt wird. Das resultierende Drehmoment bewegt oder rotiert den Rotor, so dass sich dieser in dem Magnetfeld des Stators ausrichtet. Anschließend wird die Rotorposition mit dem Positionssensor 62 erfasst und anhand des Positionssignals 64 bestimmt. Aus der bestimmten Rotorposition und der bekannten Orientierung des Spannungsvektors wird jeweils ein elektrischer und/oder mechanischer Offset-Wert für die Offsets 74 durch Differenzbildung bestimmt. Die Offset-Werte werden hinterlegt, und stehen der feldorientierten Regelung anschließend als Korrekturwerte zur Verfügung um eine besonders effektive und fehlerreduzierte Berechnung und Regelung der Phasenströme I_U, I_V, I_W zu ermöglichen.
Vorzugsweise wird die Kalibrierung für jedes der Teilsysteme separat durchgeführt. Die Kalibrierung der Teilsysteme wird hierbei beispielsweise nacheinander durchgeführt. Insbesondere wird hierbei anhand der Kalibrierungen ein Offset-Wert für den elektrischen und/oder mechanischen Versatz zwischen den Teilsystemen bestimmt und hinterlegt.
In einer möglichen Ausführungsform wird zwischen den Offset-Werten interpoliert, wobei die Berechnung und geschlossene Regelung der Phasenströme lu, Iv, Iw anhand der hinterlegten und interpolierten Offset-Werte erfolgt.
Geeigneterweise ist der Controller 42 als selbst-adaptiver Controller ausgeführt. Dies bedeutet, dass der Controller 42 dazu vorgesehen und eingerichtet ist, die Offset-Werte während der Lebensdauer des Elektromotors 4 neu zu kalibrieren.
Die beanspruchte Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus im Rahmen der offenbarten Ansprüche abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den verschiedenen Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale im Rahmen der offenbarten Ansprüche auch auf andere Weise kombinierbar, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

2: Elektrische Maschine
4: Elektromotor
6: Stromrichter
8: Stromquelle
10: Batterie
12: Zwischenkreis
12a: Hinleitung
12b: Rückleitung
14: Zwischenkreiskondensator
16: Brückenschaltung
18: Sternschaltung
19: Drehfeldwicklung
20: Brückenmodul
22,24,26: Phasenende
28: Sternpunkt
30: Induktivität
32: Widerstand
34, 36, 38: Spannungsabfall
40: Spannung
42: Controller
44, 46: Halbleiterschalter
48, 50: Potentialanschluss
52, 54: Steuerspannungseingang
56: Widerstand
58: Induktivität
60: Shuntwiderstand
62: Positionssensor
64: Positionssignal
66, 68, 70, 72: Magnetpol
74: Offset
U, V, W: Phase/Phasenwicklung
lu, Iv, Iw: Phasenstrom/Ausgangsstrom
Uu, Uv, Uw: Phasenspannung
IE: Eingangsstrom
UZK: Zwischenkreisspannung
UG: Erdpotential
IBat: Batteriestrom
UBat: Batteriespannung
PBat: Batterieleistung

Claims

Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine (2), aufweisend einen Elektromotor (4) mit einem Stator mit einer Drehfeldwicklung (19) mit mindestens drei Phasen (U, V, W) und mit einen drehbar innerhalb des Stators gelagerten Rotor mit Permanentmagneten, wobei die Phasen (U, V, W) bei einer Bestromung mit Phasenströmen (lu, Iv, Iw) eine Anzahl von Magnetpolen (66, 68, 70, 72) oder Magnetpolpaaren der Drehfeldwicklung (19) bilden, - bei welchem im Zuge einer Kalibrierung für jeden Magnetpol (66, 68, 70, 72) oder jedes Magnetpolpaar der Drehfeldwicklung (19): a) ein vorgegebener Spannungsvektor an die Drehfeldwicklung (19) angelegt wird, b) ein resultierendes Positionssignal (64) für die Rotorposition bestimmt wird, c) ein elektrischer und/oder mechanischer Offset-Wert als Differenz zwischen dem Spannungsvektor und dem Positionssignal (64) bestimmt wird, d) der bestimmte Offset-Wert hinterlegt wird, und - bei welchem die hinterlegten Offset-Werte für eine Berechnung und eine geschlossenen Regelung der Phasenströme (lu, Iv, Iw) zur Bestromung der Drehfeldwicklung (19) verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Offset-Werten interpoliert wird, wobei die Berechnung und geschlossene Regelung der Phasenströme (lu, Iv, Iw) anhand der hinterlegten und interpolierten Offset-Werte erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehfeldwicklung (19) mindestens sechs Phasen aufweist, welche ansteuertechnisch in eine Anzahl von dreiphasigen Teilsystemen gegliedert sind, wobei die Kalibrierung für jedes Teilsystem durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierung der Teilsysteme nacheinander durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Kalibrierungen ein Offset-Wert für den elektrischen und/oder mechanischen Versatz zwischen den Teilsystemen bestimmt und hinterlegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierung im Zuge der Herstellung des Elektromotors (4) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Positionssignal (64) mittels eines motorexternen Positionssensors bestimmt wird.
Elektrische Maschine (2) für ein Kraftfahrzeug, aufweisend einen Elektromotor (4) mit einem Stator mit einer Drehfeldwicklung (19) mit mindestens drei Phasen (U, V, W) und mit einem drehbar innerhalb des Stators gelagerten Rotor mit Permanentmagneten, wobei die Phasen (U, V, W) bei einer Bestromung mit Phasenströmen (lu, Iv, Iw) eine Anzahl von Magnetpolen (66, 68, 70, 72) oder Magnetpolpaaren der Drehfeldwicklung (19) bilden, sowie einen Controller (42) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Elektrische Maschine (2) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor wellenfest mit einer Motorwelle gefügt ist, an welcher ein Positionssensor (62) zur Erfassung des Positionssignals (64) angeordnet ist.
Software auf einem Datenträger zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wenn die Software auf einem Computer abläuft.