Psm的与温度相关的降额
阅读说明：本技术 Psm的与温度相关的降额 (Temperature dependent derating of PSM ) 是由 F·比特纳 A·鲁夫 于 2020-11-09 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于保护永磁同步电机(PSM)的永磁体免于退磁的方法和一种设备。(The present invention relates to a method and an apparatus for protecting permanent magnets of a permanent magnet synchronous motor (PSM) against demagnetization.)
技术领域
本发明涉及一种用于保护永磁同步电机(PSM)的永磁体免于退磁的方法和一种设备。
背景技术
与工业驱动装置相反，机动车中的电机不仅在额定点中运行而且也在宽的运行范围中，在转速、转矩和功率方面变化。为了能够短时地、例如在10秒内提供更好的行驶性能，电机在过载下运行，也就是说，能比在持续运行中提供更大的转矩。为了在这种过载的运行中不会例如由于定子绕组中的过高温度而损坏电机的构件，在电机的调节中使用所谓的降额功能。在此，根据定子绕组的测量的或计算的温度，限制由电机调节允许的转矩和功率。通过限制功率，导致损耗功率的降低并且由此导致生热的减少或者甚至导致电机的冷却。
在永磁同步电机(PSM)中，特别是保护转子中的磁体免受过高的温度，因为磁体可能在与高反向场的组合中被退磁，这持久地降低电机的效率。因此，在设计永磁同步电机时要注意的是，所使用的永磁体具有足够高的退磁强度。因此，磁体材料的矫顽磁场强度/矫顽磁力Hcj的数值在预期的最大运行温度下必须大于预期的反向场的场强度。这既适用于常规运行又适用于故障情况。
在故障情况下，在具有永磁同步电机的驱动装置中，特别是在较高转速的情况下，将主动短路(AKS)选择为安全状态。因为电机的相在此通过功率电子设备/电力电子设备中的功率半导体被短路，所以不会出现高电压。然而，在这种情况下短路电流流动，该短路电流直接在从正常运行过渡为AKS时可能短时间地形成非常高的值(最大电流的1.5倍至3倍)。该大电流在PSM中短时间地产生强的反向场，该反向场又可以使磁体退磁。该瞬时短路电流的振幅以及由此电机中的反向场取决于运行状态，在该运行状态中，电机即将以AKS的方式运行。在最大的转矩值范围内以电动机和发电机的方式的运行中，同时在高转速、所谓的角点的情况下需要最高的矫顽磁场强度。
根据当前的现有技术，基于预期的最大的构件温度和在最坏情况下的运行点、即以发电机运行的角点中随着AKS的切换出现故障情况的组合来进行磁体选择。
许多磁体材料——如特别是在用于动力设备应用的PSM中使用的NdFeB磁体——通过高温和高反向场的组合而被退磁。由此对于磁体材料产生对矫顽磁场强度Hcj的高要求。通常，通过将重稀土元素镝和铽添加到合金中来实现该要求。因此，磁体变得昂贵。
由文献DE 10 2015 218 302 A1已知了一种具有改进的短路强度的电机。电机设计为用于车辆的永磁同步电机，其具有永磁体，永磁体这样设计，使得在短路时降低退磁的危险。特别地，使用具有不同磁特性的分离式磁体。
文献DE 10 2017 220 685 A1公开了一种用于运行用于输出预定的转矩和预定的转速的电机的方法和一种设备。该方法用于测量电机的温度，并且如果超过温度阈值，则就此触发主动短路。在超过温度阈值时，通过减小最大转矩免于使电机的磁体退磁。
文献WO 01/10 001 A2描述了一种抗退磁的、永磁的船驱动装置。船驱动装置包括永磁电机，测量该永磁电机的温度和电流，其中，保护电机免受过电流和过热，并且通过限制短路电流防止在短路情况下发生退磁。
发明内容
在这种背景下，本发明的目的在于，提供一种方法和一种设别，即使在磁体具有低矫顽磁场强度时利用该方法和设备也能有效地防止PSM的永磁体退磁。
根据本发明，所述目的通过具有权利要求1的特征的方法以及具有权利要求6的特征的设备来实现。本发明的设计方案和改进方案由从属权利要求和说明书中得出。
根据本发明，根据从规定的转速起的转子温度限制PSM的最大允许的转矩，从该规定的转速起AKS将引起退磁。因此实现了一种取决于转子温度的降额，用于在故障状态AKS中进行保护免于退磁。
本发明的主题是一种用于保护车辆中的永磁同步电机(PSM)的永磁体免于退磁的方法，其中，在超过PSM的预定的转子温度时，抑制PSM在PSM的转速/转矩特性曲线的下述范围内的运行，在所述范围内，通过PSM的主动短路产生的反向场的场强度超过永磁体的矫顽磁场强度。
如果转子温度达到低于最大允许的构件温度的特定于应用的限定温度，则借助于降额来避免在AKS情况下要求高的矫顽磁场强度的运行点。结果是，在需要AKS的故障情况下，与不降额的情况相比，只能出现较小的反向场。在所述方法的一个实施方式中，限定温度比最大允许的构件温度低5K至25K，例如比最大允许的构件温度低20K，或者比最大允许的构件温度低10K。在一个实施方式中，最大允许的构件温度具有在60℃到220℃的范围内的值，例如具有在80℃到200℃的范围内的值，或者具有在100℃到180℃的范围内的值。
在该方法的一个实施方式中，抑制PSM在PSM的转速/转矩特性曲线的下述范围内的运行，在所述范围内，转矩的值大于PSM的最大转矩的70％并且转速的值大于PSM的最大转速的20％。因此，这种降额不是通过降低定子磁通量来实现，而是通过调节转速和/或转矩来实现，这避免了PSM的转速/转矩特性曲线的关键范围。
仅对于动态的驾驶操作需要在转速/转矩特性曲线的角点上的运行、也就是说以最大转矩和最大功率的运行(例如在最短时间内从0km/h加速到100km/h、在动态的转弯行驶时的扭矩矢量分配)。
在该方法的一个实施方式中，基于存储的表格来规定PSM的转速/转矩特性曲线的要抑制的范围，所述表格包括与转速和转子温度相关的最大允许转矩；也就是说，降额基于存储的表格进行，在所述表格中根据转速和转子温度规定最大允许的转矩。
在所述方法的一个实施方式中，借助于转子温度模型来确定PSM的转子的温度。利用转子温度模型计算转子的温度或转子的永磁体的温度。一旦超过特定的限定温度，就激活降额功能，该降额功能抑制在PSM的转速/转矩特性曲线中的特定的运行范围。合适的转子温度模型原则上是本领域技术人员已知的，例如从文献DE 10 2015 114 029 A1中已知。
在该方法的另一个实施方式中，借助于PSM的定子的温度来确定PSM的转子的温度。在一个实施方式中，定子温度通过定子上的温度传感器来测量。
本发明的主题还包括一种设置为用于实施根据本发明的方法的设备，用于保护车辆中的永磁同步电机(PSM)的永磁体免于退磁。
根据本发明的设备包括用于确定PSM的转子温度的装置以及设置为用于调节PSM的转速和转矩的控制单元，该控制单元设置为用于，在超过预定的转子温度时这样调节PSM的转矩和转速，从而避免了在PSM的转速/转矩特性曲线中的如下范围：在该范围中，由于PSM的主动短路产生的反向场的场强度超过永磁体的矫顽磁场强度。
在所述设备的一个实施方式中，控制单元设置为用于，在超过预定的转子温度时这样调节PSM的转矩和转速，使得不同时出现大于PSM的最大转矩的70％的转矩值和大于PSM的最大转速的20％的转速值。
所述设备的另一个实施方式附加地包括具有至少一个表格的存储单元，在所述至少一个表格中与PSM的转速和转子温度相关地规定PSM的最大允许转矩。
在所述设备的一个实施方式中，用于确定PSM的转子温度的装置包括转子温度模型。
所述设备的另一个实施方式附加地包括用于确定PSM的定子温度的装置。在一个实施方式中，该装置包括至少一个温度传感器。
在一个实施方式中，PSM的永磁体包含钕、铁和硼，以及在必要时包含镝。对于NdFeB磁体来说，最大允许的使用温度不高于120℃、在存在镝的情况下不高于200℃。
根据本发明的方法的优点包括：通过与转子温度相关的降额来降低PSM的故障概率。通过与转子温度相关的降额也可以提高最大允许的转子温度，因此在必要时提高驱动装置的最大持续功率。提高驱动装置的耐用性，而不必承受在最佳性能或持续性能方面的损失。根据使用情况，在车辆寿命中仅极少地出现最大允许的构件温度，而在许多驾驶员那里从未出现。在机动车寿命中也极少出现需要切换到AKS的故障。
在永磁同步电机的新发展中，可以选择需要较小的矫顽磁场强度的磁体材料以及因此选择成本较低的材料。
驱动装置的效率仅在极少的情况下受限制。车辆使用者已经熟悉这种行为，例如驱动装置在冷的电池或者反复的最大加速度的情况下的功率特性。
本发明的其它优点和设计方案由说明书和附图中得出。
显而易见的是，在不脱离本发明的范围的情况下，上述的和下面还将说明的特征不仅可以在分别说明的组合中、而且也可以在其它组合中或单独地使用。
附图说明
根据一个实施方式在附图中示意性地示出并且参考附图进一步描述本发明。图中示出：
图1示出记录有矫顽磁场强度和降额范围的转矩-转速特性曲线。
具体实施方式
图1针对转矩-转速特性曲线的示例性情况示出，磁性材料必须具有的以kA/m为单位的矫顽磁场强度Hcj，因此磁体在主动短路(AKS)的情况下不会退磁。
如可以看出的，在最大的转矩值的、以电机和发电机方式运行的范围中，同时在高的转速、所谓的角点的情况下需要最高的矫顽磁场强度。
在附图中记录的降额范围100标记出在转速高于最大转速的20％的情况下、在最大转矩的70％以上的范围。根据本发明，在超过转子绕组的规定的限定温度时，避免该范围。结果是，在需要主动短路的故障的情况下，仅还能出现不引起永磁体退磁的较小的反向场。
附图标记列表：
100 降额范围
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