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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Maschine, ein Verfahren zur Inbetriebnahme einer elektrischen Maschine sowie eine Steuer- und/oder Regeleinheit für eine elektrische Maschine.
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Hintergrund der Erfindung
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Bei elektrischen Maschinen, insbesondere solchen mit Permanentmagneten im Ständer und einem genuteten Anker aus Elektroblechen oder umgekehrt, mit einem genuteten Ständer und einem Anker mit Permanentmagneten, treten sog. Rastmomente oder eine sog. Polfühligkeit auf. Dies gilt auch für elektrische Maschinen, die sowohl im Ständer als auch im Anker genutet sind. Durch die Änderung des Luftspalts beim Wechsel von Ankerzahn auf Ankernut gegenüber den Permanentmagneten variiert der magnetische Widerstand und damit die Kraft auf den Anker. Dieser Effekt ist in den meisten elektrischen Maschinen unerwünscht. Rastmomente führen zu schwankenden Drehmomenten und damit auch zu schwankenden Drehzahlen (unruhiger Lauf, insbesondere bei kleinen Drehzahlen). Der Rotor bzw. Anker bleibt z.B. auch nach dem Abschalten der Maschine nur in bestimmten Stellungen stehen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Maschine, ein Verfahren zur Inbetriebnahme und Steuer- und/oder Regeleinheit mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Die Erfindung beschäftigt sich mit elektrischen Maschinen, insbesondere Drehfeldmaschinen, und den eingangs erwähnten Rastmomenten. Um die erwähnte, unterwünschten Effekte durch solche Rastmomente zu reduzieren oder gar zu vermeiden, kommt eine Kompensation der Rastmomente bzw. eine Rastmomentkompensation in Betracht. Damit kann ein Gleichlaufverhalten der elektrischen Maschine erreicht werden.
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Hierzu ist es möglich, bei der Inbetriebnahme der elektrischen Maschine, also bei deren erstmaliger Verwendung am gewünschten Einsatzort, eine Messreihe aufzunehmen. In einer solchen Messreihe können z.B. tatsächlich auftretenden Momente und/oder Drehzahlunregelmäßigkeiten über dem Drehwinkel enthalten sein. Basierend darauf kann eine Rastmomentkompensation bestimmt werden, die im laufenden Betrieb z.B. über eine Vorsteuerung diese Unregelmäßigkeiten der elektrischen Maschine reduziert, im Idealfall sogar vollständig kompensiert, indem die Ansteuerung entsprechend variiert wird. Bei der Rastmomentkompensation handelt es sich also insbesondere um eine Beschreibung, wie z.B. die Ansteuergrößen der elektrischen Maschine, insbesondere die Strombeaufschlagung, angepasst werden müssen, um das Rastmoment möglichst gut und genau auszugleichen. Eine solche Rastmomentkompensation bzw. eine Beschreibung hiervon kann dann z.B. in einer Steuer- und/oder Regeleinheit der elektrischen Maschine abgelegt bzw. hinterlegt werden, sodass nach der Inbetriebnahme bei weiterem regulärem Betrieb darauf zugegriffen werden kann bzw. diese immer verwendet wird.
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Dieses Vorgehen hat jedoch, wie sich gezeigt hat, gewisse Nachteile. So sind bei der Inbetriebnahme der elektrischen Maschine eben die für die Bestimmung der Rastmomentkompensation nötigen Schritte erforderlich, was den Zeit- und Kostenaufwand erhöht. Die Messung hierfür sollte oder muss im Idealfall sogar ohne Mechanik erfolgen, um externe Störungen zu vermeiden. Außerdem ist ein gewisses Anwendungs-Know-How (sog. Expertenwissen) erforderlich, d.h. die Inbetriebnahme muss durch eine fachkundige Person durchgeführt werden. Außerdem müssen nach einem Austausch der elektrischen Maschine diese Schritte für die Bestimmung der Rastmomentkompensation erneut durchgeführt werden, d.h. die Messreihe muss neu ermittelt werden.
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Vor diesem Hintergrund wird nun vorgeschlagen, bereits beim Herstellen einer elektrischen Maschine Daten für die Rastmomentkompensation zu bestimmen und für die spätere Verwendung zu speichern. Diese Daten können zur Verwendung bei der Inbetriebnahme und bei späteren Betrieb der elektrischen Maschine hinterlegt werden, z.B. in einer externen Datenbank, auf die bei oder ggf. vor der Inbetriebnahme zugegriffen werden kann. Denkbar ist auch, die Rastmomentkompensation auf einer Steuer- und/oder Regeleinheit der elektrischen Maschine zu hinterlegen bzw. zu speichern. Weiterhin ist denkbar, die Rastmomentkompensation im Datenspeicher des an der elektrischen Maschine angebauten Gebers (Feedbacks) abzulegen, also einem sog. Geberdatenspeicher, z.B. eines Drehgebers bzw. Inkrementalgebers. Auf diese Weise kann die Rastmomentkompensation direkt bei der Inbetriebnahme (und danach) verwendet werden, das zeit- und kostspielige Erstellen einer Messreihe und anschließende Hinterlegen der Rastmomentkompensation ist nicht mehr erforderlich.
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Dabei kommen zwei bevorzugte Varianten einer Rastmomentkompensation in Betracht. Bevorzugt wird oder ist die Rastmomentkompensation typspezifisch für einen Typ der elektrischen Maschine bestimmt, d.h. es handelt sich um eine typspezifische Rastmomentkompensation. Unter einem Typ einer elektrischen Maschine sind dabei bestimmte Größen oder Parameter für eine elektrische Maschine zu verstehen. Mit anderen Worten gilt eine typspezifische Rastmomentkompensation für eine Vielzahl von elektrischen Maschinen, die jedoch gewisse Gemeinsamkeiten aufweisen, d.h. bestimmte Größen oder Parameter gemeinsam haben. Dies können z.B. geometrische Abmessungen, Anzahl an Permanentmagneten, Art und Anzahl sowie Abmessungen von Nuten, Zähnen und dergleichen sein.
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Damit die typspezifische Rastmomentkompensation bei der individuellen elektrischen Maschine geeignet angewendet werden kann, benötigt die Steuer- und/oder Regeleinheit der elektrischen Maschine dann z.B. die Information über den elektrischen Winkel, der z.B. mittels eines Sensors (dann ggf. mit Umrechnung eines mechanischen in einen elektrischen Winkel unter Berücksichtigung des Kommutierungsoffsets) oder über ein Modell ermittelt werden kann.
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Bevorzugt ist es auch, wenn die Rastmomentkompensation exemplarspezifisch für das konkrete Exemplar der elektrischen Maschine bestimmt ist oder wird. Hier gilt die Rastmomentkompensation dann insbesondere genau oder nur für die individuelle elektrische Maschine. Eine Identifizierung kann beispielsweise durch eine elektronische Seriennummer erfolgen.
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Vorzugsweise ist oder wird die Rastmomentkompensation in Abhängigkeit oder als Funktion von zumindest einer der folgenden Größen bestimmt: einem elektrischen Winkel der elektrischen Maschine, einer Temperatur zumindest einer Komponente der elektrischen Maschine, einer Drehrichtung der elektrischen Maschine und eines Stromes (insbesondere Antriebsstromes) der elektrischen Maschine. Dies erlaubt es, die Rastmomentkompensation auch bei veränderten Betriebsbedingungen möglichst gut und effizient zu gestalten.
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Vorzugsweise wird oder ist die Rastmomentkompensation als mathematische Funktion bestimmt. Dies kann z.B. als Überlagerung von Sinus-Kurven erfolgen, wobei die einzelnen Sinus-Kurven (Einzelsignale) z.B. mit geeigneten Koeffizienten gewichtet sind, bspw. in Form einer Fourier-Reihe. Die erwähnte Temperaturabhängigkeit kann hier z.B. über die Amplitude und/oder Phase dieser Einzelsignale berücksichtigt werden. Ebenso bevorzugt ist es aber, wenn die Rastmomentkompensation als Kennfeld bestimmt ist oder wird. In einem solchen Kennfeld können z.B. Wertepaare enthalten sein; auch über ein Kennfeld können also die Abhängigkeiten von den erwähnten Größen berücksichtigt werden.
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Die erwähnte exemplarspezifische Rastmomentkompensation kann insbesondere basierend auf, insbesondere durch Anpassung, einer vorbestimmten Rastmomentkompensation der elektrischen Maschine bestimmt sein oder werden. So kann z.B. eine Rastmomentkompensation, die als mathematische Funktion vorliegt, entsprechend angepasst werden; so können z.B. einzelne Koeffizienten an das konkrete Exemplar angepasst werden. Zweckmäßig ist, wenn die erwähnte typspezifische Rastmomentkompensation als Grundlage verwendet wird, also entsprechend angepasst wird. Ebenso möglich ist es aber, die exemplarspezifische Rastmomentkompensation bei der Herstellung der elektrischen Maschine, also z.B. im Werk, entsprechend zu vermessen, also z.B. eine Messreihe wie bisher bei der Inbetriebnahme, aufzunehmen und daraus die exemplarspezifische Rastmomentkompensation zu bestimmen.
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Wie erwähnt, kann die Rastmomentkompensation z.B. in einer externen Datenbank abgelegt werden. Je nach Art der Rastmomentkompensation ist dann also z.B. zu deren Abruf bei der Inbetriebnahme der Typ der verwendeten elektrischen Maschine nötig, oder aber eine Seriennummer, die das konkrete Exemplar identifiziert.
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Die Erfindung betrifft neben der Herstellung auch eine Inbetriebnahme und einen Betrieb einer elektrischen Maschine. Hierbei wird eine vor der Inbetriebnahme bestimmte Rastmomentkompensation für die elektrische Maschine für den zukünftigen Betrieb der elektrischen Maschine verwendet wird. Bei der vor der Inbetriebnahme bestimmte Rastmomentkompensation handelt es sich insbesondere um die bei der Herstellung bestimmte Rastmomentkompensation, wie vorstehend erläutert, also z.B. um eine typspezifische oder exemplarspezifische Rastmomentkompensation. Die Rastmomentkompensation muss also nicht erst bei der Inbetriebnahme aufwändig bestimmt werden.
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Die vorbestimmte Rastmomentkompensation kann dann z.B. von extern, also z.B. der erwähnten Datenbank erhalten werden und dann auf der elektrischen Maschine, insbesondere auf einer Steuer- und/oder Regeleinheit der elektrischen Maschine hinterlegt werden.
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Eine erfindungsgemäße Steuer- und/oder Regeleinheit für eine elektrische Maschine weist eine bei der Herstellung der elektrischen Maschine erstellte Rastmomentkompensation auf; eine solche Rastmomentkompensation ist also ab Werk darauf bzw. auf einem Speicher hinterlegt.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Figurenbeschreibung
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- 1 zeigt eine Regelung einer elektrischen Maschine mit Rastmomentkompensation.
- 2 zeigt einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.
- 3 zeigt einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
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In 1 ist schematisch eine Regelung einer elektrischen Maschine 100 mit Rastmomentkompensation dargestellt. Die elektrische Maschine 100 weist eine Steuer- und/oder Regeleinheit 110 auf, mittels welcher die Regelung durchgeführt werden kann. Die elektrische Maschine weist z.B. Permanentmagneten im Ständer und einen genuteten Anker aus Elektroblechen oder umgekehrt auf; insbesondere kann es sich um eine Drehfeldmaschine handeln.
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Beispielsweise soll die elektrische Maschine 100 mit einer Solldrehzahl nSoll betrieben werden. Im Rahmen der Regelung wird von der Solldrehzahl nSoll eine Istdrehzahl nist, die z.B. mittels eines Drehzahl- und/oder Winkelsensors 120 erfasst wird, abgezogen. Die daraus resultierende Regeldifferenz wird einem Drehzahlregler 130 zugeführt, in dem ein Sollmoment MSoll bestimmt wird, das von der elektrischen Maschine umzusetzen ist.
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Auf das Sollmoment MSoll wirkt das sog. Rastmoment MR additiv ein. Das Sollmoment würde damit geändert, es käme zu einer schwankenden Drehzahl. Um dieses Rastmoment MR zu kompensieren - oder zumindest weitestgehend zu kompensieren - kann ein Kompensationsmoment MK zum Sollmoment MSoll addiert werden. Wenn das Kompensationsmoment MK derart gewählt ist, dass es das Rastmoment MR genau kompensiert, hat das Rastmoment keinen Einfluss mehr auf die Drehzahl. Beispielsweise kann das Kompensationsmoment MK um 180° phasenverschoben zum Rastmoment MR sein, wie hier angedeutet.
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Es versteht sich jedoch, dass das Rastmoment und damit das Kompensationsmoment auch anders aussehen können. Um das Kompensationsmoment MK immer möglichst wie gewünscht zu erreichen, kann eine Rastmomentkompensation 140 - also z.B. eine mathematische Funktion oder ein Kennfeld - verwendet werden. Diese Rastmomentkompensation 140 kann z.B. abhängig von einem elektrischen Winkel φ der elektrischen Maschine und einer Temperatur T einer Komponente der elektrischen Maschine, z.B. eines Ankers, sein, d.h. abhängig von aktuellen Werten dieser Größe ein bestimmtes Kompensationsmoment MK umfassen oder ausgeben, das dann z.B. im Wege der Vorsteuerung umgesetzt wird. Die Funktion kann z.B. eine Fourier-Reihe sein, deren Koeffizienten von den genannten Größen abhängen.
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In 2 ist ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt, und zwar ein Verfahren zum Herstellen und zur Inbetriebnahme einer elektrischen Maschine, wie sie z.B. in 1 gezeigt ist.
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Hierzu wird, in einem Schritt 200, z.B. in einem Werk eine elektrische Maschine eines bestimmten Typs vermessen, d.h. es wird eine Messreihe aufgenommen, anhand welcher das Rastmoment wie auch in Bezug auf 1 erwähnt ersichtlich ist. Dabei können insbesondere auch mehreren Messreihen aufgenommen werden, z.B. für verschiedene Werte von Größen wie der Temperatur der elektrischen Maschine.
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In einem Schritt 210 wird dann anhand dieser einen oder der mehreren Messreihen z.B. eine mathematische Funktion bestimmt oder erstellt, die konkrete Werte für ein Kompensationsmoment für verschiedene Werte von Größen der elektrischen Maschine angibt. Beispielsweise kann die mathematische Funktion eine Überlagerung von Einzelsignalen wie z.B. Sinuskurven umfassen, die mit geeigneten Koeffizienten gewichtet sind. Insbesondere soll die mathematische Funktion derart sein, dass sie für den bestimmten Typ der elektrischen Maschine universell gilt, nicht nur für das konkrete Exemplar. Denkbar ist, auch weitere elektrische Maschine dieses Typs zu berücksichtigen.
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Bei einer solchen mathematischen Funktion handelt es sich dann um eine Rastmomentkompensation, und zwar insbesondere um eine typspezifische Rastmomentkompensation für den Typ der elektrischen Maschine. In einem Schritt 220 kann diese Rastmomentkompensation dann z.B. in einer Datenbank hinterlegt werden, und zwar z.B. verknüpft mit einer Typnummer der elektrischen Maschine. Denkbar ist auch, die Rastmomentkompensation in der elektrischen Maschine, dort z.B. der Steuer- und/oder Regeleinheit und/oder des Datenspeichers im Geber abzulegen bzw. abzuspeichern.
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Wenn die Rastmomentkompensation für einen bestimmten Typ einmal bestimmt worden ist, können weitere elektrische Maschinen dieses Typs ohne konkrete Bestimmung einer Rastmomentkompensation hergestellt werden. Falls die Rastmomentkompensation in der elektrischen Maschine abzulegen oder abzuspeichern ist, kann auf die bereits vorhandene Rastmomentkompensation zurückgegriffen werden. Falls die Rastmomentkompensation in der Datenbank hinterlegt worden ist, ist diesbezüglich kein weiterer Schritt nötig.
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Später soll eine elektrische Maschine dieses Typs dann z.B. am Verwendungsort in Betrieb genommen werden. Hierzu wird, in einem Schritt 230, z.B. anhand der Typnummer der elektrischen Maschine die Rastmomentkompensation aus der Datenbank abgerufen und in der elektrischen Maschine, dort z.B. der Steuer- und/oder Regeleinheit abgelegt bzw. abgespeichert sodass sie später im Betrieb verwendet werden kann. Hierzu ist dann z.B. der elektrische Winkel der elektrischen Maschine nötig, der z.B. wie in Bezug auf 1 mit dem Sensor bestimmt werden kann (ggf. durch Umrechnung des mechanischen in den elektrischen Winkel durch Berücksichtigung des Kommutierungsoffsets).
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In 3 ist ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dargestellt, und zwar ein Verfahren zum Herstellen und zur Inbetriebnahme einer elektrischen Maschine, wie sie z.B. in 1 gezeigt ist.
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Hierzu wird, in einem Schritt 300, z.B. im Werk die elektrische Maschine vermessen, d.h. es wird eine Messreihe aufgenommen, anhand welcher das Rastmoment wie auch in Bezug auf 1 erwähnt ersichtlich ist. Dabei können insbesondere auch mehreren Messreihen aufgenommen werden, z.B. für verschiedene Werte von Größen wie der Temperatur der elektrischen Maschine.
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In einem Schritt 310 wird dann anhand dieser einen oder der mehreren Messreihen z.B. ein Kennfeld bestimmt oder erstellt, in dem konkrete Werte für ein Kompensationsmoment für verschiedene Werte von Größen der elektrischen Maschine hinterlegt sind. Bei einem solchen Kennfeld handelt es sich dann um eine Rastmomentkompensation, und zwar insbesondere um eine exemplarspezifische Rastmomentkompensation für konkret das aktuell hergestellte Exemplar der elektrischen Maschine. In einem Schritt 320 kann diese Rastmomentkompensation dann z.B. in einer Datenbank hinterlegt werden, und zwar z.B. verknüpft mit der Seriennummer der elektrischen Maschine. Denkbar ist auch, die Rastmomentkompensation in der elektrischen Maschine, dort z.B. der Steuer- und/oder Regeleinheit abzulegen bzw. abzuspeichern.
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Später soll diese elektrische Maschine dann z.B. am Verwendungsort in Betrieb genommen werden. Hierzu wird, in einem Schritt 330, z.B. anhand der Seriennummer der elektrischen Maschine die Rastmomentkompensation aus der Datenbank abgerufen und in der elektrischen Maschine, dort z.B. der Steuer- und/oder Regeleinheit abgelegt bzw. abgespeichert sodass sie später im Betrieb verwendet werden kann.
