同步马达的制作方法

本实用新型涉及一种电路、该电路的布置和一种方法并特别涉及一种永磁同步马达以及用于测定非常规工作状态、特别是测定在马达绕组中的过高温度的方法。

背景技术：

通过将电流引导流经马达线圈而在马达中以及马达驱动装置中产生驱动扭矩。当大电流持续流过马达线圈时，马达线圈产生热量，这个热量能够达到高温并且可能引起故障，以及引起马达线圈的损坏或者马达磁铁的去磁化。因此在现有技术中为了防止马达线圈过热而存在多种例如为了限制通过马达线圈的电流而测量该线圈的温度的解决方案，以及存在与中断整流和纠正故障相关的解决方案。

在常规的用于马达驱动设备的马达线圈温度估算方法中，将在马达周围设置的温度传感器所测量的温度与借助于马达电流的平方值乘以增量系数所得数值的积分的低通滤波值相加，以便于估算出马达线圈的温度。然而因为会估算出实际上并不存在的状态，模型计算却总是导致了马达的可用性减少。

现有技术中，利用温度传感器的其中使用了5个端子(3个用于马达运行并且两个用于温度监控)的解决方案也是有缺陷的，因为由此产生了更高的成本并且限制了可靠性。此外，在已知的解决方案中只有当温度传感器作用时才能够发现绕组的局部故障。

从DE 11 2012 006 170 T5中已知一种解决方案，其中温度的测量以及绕组温度的估算通过转数和电流来实现。就此的缺点在于，这需要精确的并且因此高成本的电流测量、温度测量以及复杂的分析模型。

从DE 10 2013 012 861 A中公开了一种温度测量的替代性方案。就此为了识别故障的绕组和/或开关而进行了阻抗的分析。为此，首先必要的是，精确地计算阻抗。为了得到相应的马达的阻抗，相应的生产监督就此以对于每个马达的过程伴随的测量为前提，这导致了更高的成本。

从EP 2499 737 A中公开了另一种用于测量温度的解决方案。该文献提及了一种基于所计算的电气功率与机械功率的差异而通过比较功率阈值来验证电气的机器的扭矩的方法，其中该电气功率由所测量的支路值而计算出并且该机械功率由所计算出的扭矩和转数来计算。就此的缺陷在于，为了计算扭矩而需要精确的参数，而这些参数却又是温度相关的，从而使得必须为每个工作区域来另外进行计算。

技术实现要素：

因此，本实用新型的任务在于克服上述缺陷，并且提供一种同步马达以及一种方法，通过该方法能够以简单可靠的方式实现绕组温度的监控并因此实现工作状态的监控。

该任务应该另外实现了，在工作状态的监控中除了可靠地避免了马达绕组过度加热(绕组损坏)或者堵转以外还实现了对于绕组的局部的故障的可靠的识别以及同时监控转子旋转。

该任务通过以下特征组合而实现。

本实用新型提供一种同步马达，其特征在于，所述同步马达包括定子和永久磁铁转子，所述定子具有三个绕组相，所述绕组相具有绕组端子，所述绕组相在星形电路的星形接点处连接并且与控制电子部件连接，其中另外设置探测元件，所述探测元件构造为，用于直接或间接地探测至少一个所述绕组相的温度或温度相关的马达特性，其中所述探测元件电气地串联到所述星形接点并且以第四绕组端子的形式实施并且所述绕组端子与所述控制电子部件连接。

基本思想在于，借助于具有三个常规的绕组端子的特定的星形电路实现了在星形电路的星形接点处的用于集成探测元件的另一个绕组端子的构造，该探测元件用于实现温度特征的参数的分析，其中用于分析的绕组端子优选地直接与马达的控制电子部件和/或分析单元相连。

根据本实用新型，建议一种包含永久磁铁转子以及定子的同步马达，该定子具有三个绕组相，这些绕组相具有绕组端子(U，V，W)，这些绕组相在星形电路的星形接点处连接并且与控制电子部件连接，其中另外设置探测元件，该探测元件构造为，用于直接地或间接地探测至少一个绕组相的温度T或者温度相关的马达特性，其中探测元件电气地串联到星形接点并且以第四个绕组端子的形式而实施，并且该绕组端子与控制电子部件连接。

借助于探测元件而在第四绕组端子处分析出的特别适合的故障特征参数是在该端子上的电压值。该电压涉及到的是绕组端子上的电位与参考电位之间的电位差。

在第四绕组端子处的电压由于永久磁铁转子的旋转而产生并且具有与该转子的转数相应的幅度。该电压具有最大和最小值、有效值以及交零点。替代该幅度最大值的分析，也能够采用在第四绕组端子上的电压的有效值以及其它电压值。

所测量到的电压因此直接与转子的旋转运动相关联并且极大程度上无关于控制的类型和方式，也即，无关于绕组的当前电流状态。

如果在第四绕组端子上测量的电位由于在测量部件中发生的事件(例如由于高温而不成比例地电阻升高或者开关切换事件)而小于在常规工作中的电位、因此小于单位电压极限值，那么控制电子部件不依赖于转子的堵转或旋转情况地将该故障识别为过热。

如果在过热前发生故障，例如转子堵转，那么这根据本实用新型通过确定的低于阈值已经在过热前探测出，低于阈值是由于所期望的幅度值由于未发生的转动而减少造成的。

这样的根据本实用新型的实施方式在一些马达的情况下特别有好处，这些马达的热学的时间常量特别小并且因此由于惯性而原本可能在热学的探测元件作用前就已经使得绕组的损害造成了损失。

在热学的探测元件作用的情况下，由于过高温度(例如在过高的环境温度或者在超负荷工作中的过强负载条件下工作)，这同样根据减少的或消失的电压电位而探测出来。

控制电子部件以马达驱动-控制电子部件的形式而构造，从而使该控制电子部件除了马达驱动装置的控制以外也能够负责监控和温度分析。

前述的探测元件能够是唯一的探测元件，或者是一组这样的探测元件，就此并不在本实用新型的其它描述说明中分别单独地对该方面来进行说明。探测元件的数量主要取决于热耦合的质量以及实施情况。在最佳的热耦合的情况下，仅需要唯一的探测元件。如果为了热学上可靠的连接而需要多个探测元件，那么就将这些探测元件电气地串联起来。通过根据规定的串联电路，多个探测元件一起表现得像是唯一的探测元件一样。

作为用于探测温度的探测元件能够有利地使用连接的部件，例如双金属开关、温度监控器或者温度开关。通过为了环境和应用而确定既定的阈值，以最大能允许的极限温度的形式来确定故障的温度特定的切换点。

在本实用新型的替换性实施方式中能够设置为，使用耐热的探测元件，这些探测元件的电阻随着温度而变化。优选地，选择正的温度系数，这意味着，该耐热的探测元件的电阻随着温度的升高而增加。为此能够使用所谓的PTC元件。能够特别有利地使用这样一种探测元件，该探测元件表现得与开关类似并且就此而言具有一种特性，在该特性条件下在温度升高时电阻不成比例地增大。

这些探测元件的另一种、也即替代性的实施方式是热电元件，这些热电元件由于热电效应而取决于温度地形成电压。该电压在故障情况下以如此大的程度上升，即，在该状态下能够看出，在第四绕组端子与星形接点之间的网点明显有别于常规的工作状态。

探测元件能够有利地实施为常开触点，其中在故障状态下这些探测元件使相关电路中的电阻显著升高。替代性地，也能够设置为常闭触点，其中所述分析能够因此通过负逻辑(negativer logik)并且可能相对于所述的常开触点而言实现了对于分析的受限的可能性。

在本实用新型的一种有利的设计方案中设置为，除了第一探测元件以外设置至少一个其它的探测元件，优选为霍尔元件，该元件与第一探测元件电气串联地连接并且构造为具有变化的电阻或变化的电压的控制元件，其中该电阻或电压取决于转子旋转位置。

因此有利的是，使探测元件以影响电位的控制元件的形式而构造，从而随着上升的温度而影响星形接点与绕组端子之间的电压。

另外有利的是，使探测元件另外还具有开关功能，从而在超出预设的极限温度的情况下断开星形接点与绕组端子之间的电气连接。

在本实用新型的一种有利的设计方案中设置为，使最先提及的探测元件以温度相关的控制元件的形式而构造，从而使星形接点与绕组端子之间的连接区段中的电阻随着温度上升而升高。

在本实用新型的另一种有利的设计方案中设置为，使电阻性的星形接点基准电路设有星形接点，其中该基准电路的星形接点分别通过电阻与同步马达的各其中一个绕组端子连接，而电阻性的星形接点基准端子则从该星形接点引导至分析单元。

替代性地能够设置为，将星形接点的第四端子处的电压差的基准点以分压器的中心点的形式设置在控制电子部件的中间电路中。

第四绕组端子、马达星形电路的星形接点以及基准电路的星形接点之间的电压(电位差)能够有利地用于分析工作状态，所以使这些端子直接地与分析单元相连。

根据本实用新型，也能够识别出马达的局部故障，该局部故障例如由于绕组的一部分的短路而引起过热。这能够基于在电气旋转时电压的不对称走向(unsymmetrische Entwicklung)而以与常规走向不同的走向的形式来发现，例如阶梯形的发展，或者基于最小与最大幅度值之间的对比或部分地低于定义的阈值而发现。

本实用新型的另一个方面涉及到一种通过前述构造的同步马达而用于探测非常规的工作状态的方法，其中设置分析单元，该分析单元实施在绕组端子处的电压相对于基准电位的分析，并且其中由控制电子部件将低于预设的电压阈值的电压跌落识别为非常规的工作状态(堵转、绕组过热、绕组不对称)。

根据本实用新型的分析能够这样进行，即，对在绕组端子处的电压进行分析，而同时探测在电源电压频率的周期内电压的交零点的数量并且将其与预设的交零点数量比较，其中将控制电子部件或分析单元交零点的数量偏差识别为非常规的工作状态。

替代性地，能够借助于对于在绕组端子的电压频率的频率分析而通过将计算出的频率与马达电源电压频率以及与低于控制电子部件或分析单元的预设的频率阈值的频率的比较来识别出故障。

在本方法的有利的设计方案中设置为，为了温度分析或者为了探测工作状态而利用到在绕组端子与分压器的如前述的星形接点-基准端子之间的电压差U_TR。此外能够有利地设置为，实施同步马达的转数探测，其中转数探测基于电压差U_TR而实施。

同样地，有利地设置为，实施同步马达的位置探测，其中该位置探测基于电压差U_TR而进行。

通过该同步马达能够以简单并可靠的方式实现绕组温度的监控并因此实现工作状态的监控。

附图说明

本实用新型的其它的有利的扩展方式在下文中参照附图结合本实用新型的优选的实施方式的描述一起详细说明。其中：

图1示出了具有逆变桥的马达的简化示意图；

图2a示出了具有探测元件的星形电路的实施例；

图2b示出了具有电子部件的图2a的实施例；

图3示出了具有基准电路和热监控装置的实施例；

图4示出了具有热学探测元件与位置探测元件的星形电路的实施例；

图5示出了幅度的示例性的分析图；

图6示出了电压有效值的示例性的分析图；

图7示出了探测出的电压曲线的交零点的示例性的分析图；

图8a示出了在常规工作中电流曲线和电压曲线的视图；

图8b示出了在转子堵转的情况下电流曲线和电压曲线的视图；

图8c示出了在马达绕组中部分短路情况下电流曲线和电压曲线的视图；

图8d示出了在马达绕组中部分短路情况下具有替代性分析方式的、电流曲线和电压曲线的视图；以及

图8e示出了在使用过热开关的情况下电流曲线和电压曲线的视图。

具体实施方式

在下文中，参照附图1至附图8e来描述本实用新型，其中相同的名称以及附图标记表示相同的结构特征和/或功能特征。

在附图1中，首先示出了从现有技术已知的同步马达1的简化的示意图，该同步马达1包括永久磁铁转子和定子，该定子具有三个绕组相2、3、4，这些绕组相具有绕组端子U、V、W，这些绕组相在星形电路的星形接点S处连接并且与逆变桥10连接。(出处:“Shen 2004，Sensorless Flux-Weakening Control of Permanent-Magnet Brusheless Machines Using Third Harminic Back,Volume：40，Issue 6，ISSN：0093-9994”)

如图3中示出的，绕组端子U、V、W分别与具有星形接点R的星形接点基准电路连接，该绕组端子分别通过电阻R1、R2、R3而与该星形接点连接，而为了分析单元A则设置了星形接点R的星形接点基准端子R_A。此外，在一种对于图3的替代性的实施方式中，基准端子在此用于探测相对于绕组端子T的电压差U_TR，该绕组端子T作为马达控制电子部件的中间电路中的分压器的中心点。

图2a示出了具有探测元件20的星形电路的实施例，并且图2b示出了将图2a的实施例额外地与逆变器UR连接，其中该逆变器UR能够集成在控制电子部件10中。

为了直接地探测绕组相2、3、4的温度，该探测元件20作为温度相关的探测元件而构造，其中该探测元件20与马达-星形接点电路的星形接点S电气地串联连接。该探测元件20另外与至少一个绕组相通过热耦元件K而耦合。此外设置与控制电子部件10和/或逆变器连接的第四绕组端子T。根据图2b，马达端子U、V、W与逆变器UR连接。逆变器UR或者控制电子部件10包含电子的开关和分析电路，马达经绕组端子U、V和W通过这些电路受到驱动，并且通过这些电路对端子T的信号进行分析。

图3示出了具有基准电路(由三个电阻R1、R2和R3组成)以及热学的监控装置20和分析单元A的实施例。在此，将用于探测相对于绕组端子T的电压差U_TR的基准点以具有三个电阻R1、R2、R3的星形接点基准电路的星形接点R的形式来构造，其中端子R_A从星形接点R引至分析单元A。

图4中示出了具有热学的探测元件20以及位置探测元件P(Pos.)的星形电路的实施例，该位置探测元件电气地串联至探测元件20并且以具有变化的电阻或变化的电压的控制元件的形式而构造。

在此，通过转子的转动而产生的位置探测元件P的信号与探测元件20的信号组合成和信号。

作为位置探测元件P而能够例如使用霍尔元件或者霍尔开关，该霍尔元件产生了额外的转动位置相关的电压，该霍尔开关则转动位置相关地切断该机器。替代性地，也能够使用GMR传感器作为位置探测元件P，该传感器引起了与转动位置相关的电阻变化。

在星形接点S处产生的电压与位置探测元件P的电压的叠加导致了，通过位置探测元件P对于在星形接点S处产生的电压造成影响。在星形接点S的一种运行方式中，电压信号能够通过位置探测元件P而环回(durchschleifen)或者交叠。替代磁铁开关或霍尔元件的静态状态，将来自星形接点S的信号以状态的形式转发到探测元件20。在另一种运行方式中，位置探测元件P的能量供给例如来自星形接点或其中一个绕组端子U、V、W。

在这两种情况下，和信号未出现是明显故障的工作状态。

在第一种运行方式中，能够另外捕捉测量技术方面的故障，该故障以这样的形式来表现，即，转子停止的情况下由于外界的影响，在位置探测元件P中产生边缘变化，将其以错误的方式确定为马达的正常工作状态，然而却可能导致前文已述的机器热故障。然而根据本实用新型，该工作状态却能够通过信号与常规工作的信号曲线的偏差或者前述的和信号的未出现而得以明确识别并且能够例如引起断路或电流减小。

即使在马达可能并未根据规定转动的情况下，也会识别出导致没有信号到达探测元件20的、位置探测元件P的故障。

通过将从位置探测元件P得到的转数与在马达端子U、V、W处预设的电源频率进行简单的比较，得到关于转子转动状态的信息。

如果这两个频率相互偏差，那么能够确定马达堵转或者马达不同步运转，这在图8b中示出并在下文中更详细地描述。

图5、6、和7示出了示例性的幅度分析图、示例性的电压有效值分析图以及通过对探测元件20后的绕组端子T的电位进行分析而对所测得的电压曲线的交零点N的分析。绕组端子T处的电位由于永久磁铁转子的转动而产生并且具有如图5中所示出的与转数成比例的幅度的特性或者如图6中所示出的有效值Ueff的特性。

在图7中示出在绕组端子T处能够测得电压曲线的交零点的数量的分析。在堵转或不同步运转的情况下(正如图8b示出的)，交零点的数量在每个电气周期变化，由此在常规工作中(如图8a示例性示出的)的六个交零点变为在转子堵转的情况下的、当前的两个交零点。

在图8a至8e中，在附图的各个下方的曲线示出了电压差U_TR的分析的相应的视图。在附图8a至8e的各个上方的曲线示出了马达绕组U、V、W的相电压的电压曲线，并且附图8a至8e的各个中间的曲线示出了通过这些绕组的电流曲线。

图8b示出了在转子堵转的情况下的三个曲线的视图以及明显更平缓的电压曲线U_TR，由此仅还能够看出在电压差U_TR中的两个交零点。

附图8c和8d示出了在马达绕组中部分断路的情况下的曲线走向，其中包括了电压曲线U_TR的不同的分析。

能够看出与视图相应的电气周期内U_TR的非对称发展。能够基于阶梯状的发展或者最小幅度值和最大幅度值的对比或者对于阈值的部分的未超出来进行分析。

附图8e示出了在使用高温开关的情况下的曲线走向，其中只要温度超出了特定的温度极限值，那么在绕组端子T处的电压U_TR就降为零。

在所有情况下能够实施用于保护马达的常规措施，该用于保护马达的常规措施在发现非常规的工作状态的情况下例如通过马达控制装置而触发。就此重要的好处在于，相对于为了运行而原则上必需的绕组端子U、V、W，为了根据本实用新型的监控仅需要一个另外的接点。