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1. WO2020108693 - VERFAHREN ZUR LAUFENDEN ZUSTANDSÜBERWACHUNG EINES ELEKTROMOTORS

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

[ DE ]

Verfahren zur laufenden Zustandsüberwachuna eines Elektromotors

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur laufenden Zustandsüberwachung eines

Elektromotors nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

In DE 10 2010 041 944 A1 ist ein Elektromotor mit einer sensorlosen Temperaturmessung beschrieben. Ein Schätzmodul empfängt einen Temperaturwert sowie die drei

Phasenstromwerte des dreiphasigen Elektromotors und verarbeitet diese Informationen zu einer geschätzten Motortemperatur.

In WO 2015/110107 A2 wird ein Verfahren zur Bestimmung einer Motortemperatur eines Elektromotors beschrieben, bei dem die Motortemperatur über ein Motortemperaturmodell in Abhängigkeit einer Temperatur der den Elektromotor ansteuernden Leistungselektronik geschätzt wird.

In DE 10 2010 038 560 A1 wird ein Temperaturschätzungsverfahren beschrieben, um die Statorwickeltemperatur über ein thermisches Impedanzmodell, die Motordrehzahl und eine gemessene Motorkühltemperatur zu schätzen. Dabei wird der Gesamtleistungsverlust für jede Phase des Motors bestimmt. Die Statorwickeltemperaturen für jede Motorphase werden basierend auf dem Gesamtleistungsverlust in dieser Phase und einer kombinierten thermischen Impedanz für diese Phase geschätzt. Die kombinierte thermische Impedanz umfasst eine erste thermische Impedanz zwischen der Statorwicklung und dem Statorkern und eine zweite thermische Impedanz zwischen dem Statorkern und dem Motorkühlmittel.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Temperaturermittlung in einem Elektromotor zu verbessern. Die Temperatur in einem Elektromotor mit asymmetrischer Phasenleistung soll einfach und zuverlässig abgeschätzt werden können.

Wenigstens eine dieser Aufgaben wird durch ein Verfahren zur laufenden

Zustandsüberwachung eines Elektromotors mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Entsprechend wird ein Verfahren zur laufenden Zustandsüberwachung eines Elektromotors vorgeschlagen, aufweisend einen Rotor und einen Stator und wenigstens zwei Motorphasen zur Bewirkung einer Drehbewegung des Rotors gegenüber dem Stator, wobei in einem Betriebszustand des Elektromotors der ersten Motorphase ein erster Energieverlust und der zweiten Motorphase ein zweiter Energieverlust zugeordnet ist, wobei eine

Temperaturermittlung im Betrieb des Elektromotors erfolgt, indem zunächst eine erste Temperaturberechnung zur Abschätzung einer Temperatur der ersten Motorphase durchgeführt wird, wobei die erste Temperaturberechnung eine Energieverlustschätzung, bei der wenigstens ein erster Energieverlustwert der ersten Motorphase und eine Temperaturschätzung, bei der eine von dem ersten Energieverlustwert abhängige

Temperatur der ersten Motorphase als erster Temperaturwert berechnet wird, einbezieht und anschließend eine zweite Temperaturberechnung zur Abschätzung einer Temperatur der zweiten Motorphase durchgeführt wird, bei der abhängig von dem ersten Temperaturwert und einer Energieverlustdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Energieverlust eine Temperatur der zweiten Motorphase als zweiter Temperaturwert berechnet wird.

Dadurch kann der für die Zustandsüberwachung des Elektromotors erforderliche

Berechnungsaufwand verringert werden. Eine Überbeanspruchung, beispielsweise eine Erhitzung der Bauteile, beispielsweise der Isolation oder dem Verguss, des Elektromotors können verhindert werden. Die Zuverlässigkeit des Elektromotors und der den Elektromotor aufnehmende Baueinheit, beispielsweise ein Hybridmodul, kann verbessert werden.

Das Verfahren ermöglicht es, ein Versagen der Bauteile des Elektromotors, insbesondere bei vorhandenen asymmetrischen Phasenleistungen, zu erkennen und die Leistungsgrenzen des Elektromotors im Kurzzeitbetrieb und im Dauerbetrieb zu erhöhen. Durch das Verfahren wird eine nichtinvasive Temperaturermittlung durch Einbeziehung einer Abschätzung der elektrischen Leistungsverluste des Elektromotors im Betrieb des Elektromotors möglich, die mehrmals erfolgen, insbesondere dauernd erfolgen kann. Der Elektromotor kann bei gleicher Leistung geringere Abmessungen aufweisen und einen kleineren Bauraum einnehmen.

Durch das vorgeschlagene Verfahren kann die Anwendung einer Mehrzahl von

Temperatursensoren entbehrlich sein. Auch ist die Anwendung von Temperatursensoren an den besonders temperaturkritischen Bereichen bauraumbedingt nicht immer möglich.

Eine asymmetrische Phasenleistung kann durch eine asymmetrische Bestromung des Elektromotors im Stillstand oder bei geringen Drehzahlen des Rotors auftreten oder aber auch aufgrund unterschiedlicher elektrischer Widerstände der Motorphasen des

Elektromotors. Einer asymmetrischen Phasenleistung liegen asymmetrische Phasenverluste zugrunde, die wiederum asymmetrische Phasentemperaturen auslösen. Derartige asymmetrische Verhältnisse zwischen den Motorphasen können zur Fehleinschätzung der Temperatur in einer Motorphase führen, wenn nur die Temperatur einer Motorphase überwacht wird und auf die anderen Motorphasen einfach übertragen wird. Aus diesen Gründen ist eine sorgfältige und genaue Abschätzung der jeweiligen Temperaturen der weiteren Motorphasen anzustreben.

Der Elektromotor kann ein bürstenloser Gleichstrommotor sein. Der Elektromotor kann dreiphasig ausgeführt sein. Der Elektromotor kann in einem Antriebsstrang eines Fahrzeugs eingebaut sein. Der Antriebsstrang kann ein Hybridantriebsstrang sein. Das Fahrzeug kann ein Elektrofahrzeug sein. Der Elektromotor kann ein Antriebselement des Fahrzeugs sein.

Die erste und zweite Motorphase können dem Stator zugeordnet sein und die

Temperaturermittlung kann eine Temperatur des Stators abschätzen.

In einer speziellen Ausführung der Erfindung ist eine dritte Motorphase vorhanden der in dem Betriebszustand des Elektromotors ein dritter Energieverlust zugeordnet ist, wobei bei der zweiten Temperaturberechnung eine Temperatur an der dritten Motorphase als dritter Temperaturwert abhängig von dem ersten Temperaturwert und einer Energieverlustdifferenz zwischen der ersten und dritten Motorphase berechnet wird.

In einer weiteren speziellen Ausführung der Erfindung berechnet die

Energieverlustschätzung einen Leitungsverlust der ersten Motorphase abhängig von einer Messung einer ersten Phasenspannung, eines ersten Phasenstroms und/oder einer Phasenfrequenz jeweils der ersten Motorphase. Die erste Motorphase kann eine elektrische Leitung umfassen, die einen temperaturabhängigen elektrischen Leitungswiderstand aufweist. Die elektrische Leitung kann ein Kupfermaterial aufweisen, dessen spezifischer elektrischer Widerstand temperaturabhängig ist. Der Leitungswiderstand kann weiterhin frequenzabhängig sein, insbesondere bedingt durch Skin-Effekte und Proximity-Effekte. Der Leitungsverlust kann proportional zu dem Produkt aus dem Leitungswiderstand und dem Quadrat des Phasenstroms sein.

Der Elektromotor kann Permanentmagnete aufweisen und der Leitungsverlust kann weiterhin von einer Magnetfeldstärke der Permanentmagnete abhängen. Die

Magnetfeldstärke kann temperaturabhängig sein.

In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung berechnet die Energieverlustschätzung wenigstens einen Eisenverlust des Elektromotors wenigstens abhängig von einer Messung einer Drehfrequenz des Rotors. Die Eisenverluste des Elektromotors können

Wirbelstromverluste und/oder Hystereseverluste sein.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist der erste Energieverlustwert abhängig von dem Leitungsverlust und/oder dem Eisenverlust.

In einer speziellen Ausführung der Erfindung wird die Temperatur in dem Elektromotor, insbesondere an der ersten Motorphase oder in einem Bereich der ersten Motorphase, durch eine Messung als Temperaturmesswert gemessen und die erste Temperaturberechnung berücksichtigt den Temperaturmesswert bei der Berechnung des ersten Temperaturwerts.

In einer weiteren speziellen Ausführung der Erfindung werden die zur Durchführung der ersten Temperaturberechnung getroffenen Berechnungsgrundlagen abhängig von dem ersten Temperaturmesswert angepasst.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird bei der zweiten Temperaturberechnung der zweite Temperaturwert abhängig von dem ersten Temperaturwert und einer

Temperaturdifferenz D# 2 berechnet.

In einer speziellen Ausführung der Erfindung werden bei der Berechnung des zweiten Temperaturwerts die vorhandenen thermischen Kapazitäten berücksichtigt. Dadurch kann eine genauere Berechnung der transienten Temperaturen ermöglicht werden.

In einer speziellen Ausführung der Erfindung ist die Temperaturdifferenz D·$2 proportional zu der Energieverlustdifferenz AP>. Der Proportionalitätsfaktor kann ein vorab ermittelter thermischer Widerstand t/7,2 sein. Der thermische Widerstand Rth, 2 kann zwischen der ersten und zweiten Motorphase vorliegen.

Die Temperaturdifferenz Aϋ, einer jeder weiteren Motorphase m(i), insbesondere die Temperaturdifferenz Aϋ2 der zweiten Motorphase m(2), kann ausgehend von der ersten Motorphase m(1) als Referenzphase und abhängig von der Energieverlustdifferenz AP,-zwischen der jeweiligen Motorphase m(i) und der ersten Motorphase m(1) wie folgt berechnet werden

& Rth P (1)

Die Energieverlustdifferenz ist dabei

AP ········ P -- P\ (2)

und ist hauptsächlich von den Leitungsverlusten Pi wie folgt abhängig

AP, - Pi j - Pu (3)

Der thermische Widerstand Rth, i kann vor Betrieb des Elektromotors, insbesondere vor Inbetriebnahme des Elektromotors, beispielsweise bei der Entwicklung des Elektromotors

oder nach Fertigstellung der Produktion des Elektromotors, bestimmt werden. Der thermische Widerstand Rtthi kann über eine Berechnung und/oder Messung bestimmt werden. Der thermische Widerstand Rth, i kann vorab abhängig von einem Gradienten aus der Temperaturdifferenz und der Energieverlustdifferenz festgelegt werden.

Die zwischen der ersten und zweiten Motorphase im Betrieb auftretenden zeitlich sich ändernden Energieverlustdifferenzen DR/ können bei der Berechnung der

Temperaturdifferenz D#,· berücksichtigt werden. Die Temperaturdifferenz D#; kann unter Einbezug dieser dynamischen Änderungen über eine Differenzengleichung berechnet werden. Auch bei zeitinvarianten Energieverlusten oder Energieverlustdifferenzen DR, ergeben sich durch die thermischen Kapazitäten dynamische Temperaturdifferenzen DF,, die über eine Differenzengleichung berechnet werden können.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Figurenbeschreibung und den Abbildungen.

Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Abbildungen ausführlich beschrieben. Es zeigen im Einzelnen:

Figur 1 : Ein Verfahren zur laufenden Zustandsüberwachung eines Elektromotors in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung.

Figur 2: Ein Blockdiagramm eines Elektromotors, bei dem ein Verfahren zur

laufenden Zustandsüberwachung in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung angewendet wird.

Figur 1 zeigt ein Verfahren 100 zur laufenden Zustandsüberwachung eines Elektromotors in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung. Der Elektromotor weist einen Stator, einen drehbaren Rotor und insbesondere drei Motorphasen auf, die durch eine jeweilige

Bestromung mit elektrischer Energie eine Drehbewegung des Rotors gegenüber dem Stator bewirken. In einem Betriebszustand des Elektromotors, der sich beispielsweise durch eine bestimmte Drehzahl und eine bestimmte Lastanforderung auszeichnet, ist der ersten Motorphase ein erster Energieverlust, der zweiten Motorphase ein zweiter Energieverlust und der dritten Motorphase ein dritter Energieverlust an elektrischer Energie zugeordnet.

Die Zustandsüberwachung des Elektromotors umfasst eine im Betrieb des Elektromotors erfolgende Temperaturermittlung 102. Dabei wird zunächst eine erste

Temperaturberechnung 104 zur Abschätzung einer Temperatur der ersten Motorphase durchgeführt. Bei der ersten Temperaturberechnung 104 wird ein erster Energieverlustwert 108 eines der ersten Motorphase zugeordneten Energieverlusts durch eine

Energieverlustschätzung 106 ermittelt. Dabei wird ein Leitungsverlust 109 der ersten Motorphase abhängig von einer Messung 110 einer ersten Phasenspannung, eines ersten Phasenstroms und/oder einer Phasenfrequenz jeweils der ersten Motorphase berechnet. Weiterhin wird ein Eisenverlust 112 des Elektromotors wenigstens abhängig von einer Messung 110 einer Drehfrequenz berechnet. Der Eisenverlust 112 des Elektromotors kann Wirbelstromverluste und/oder Hystereseverluste umfassen.

Bei der ersten Temperaturberechnung 104 wird weiterhin eine von dem ersten

Energieverlustwert 108 abhängige Temperatur der ersten Motorphase als erster

Temperaturwert 114 durch eine Temperaturschätzung 116 berechnet. Die

Temperaturschätzung 116 kann dabei auch eine Messung 110 einer Temperatur in dem Elektromotor, insbesondere an der ersten Motorphase oder im Bereich der ersten

Motorphase, berücksichtigen und davon abhängig das bei der Temperaturschätzung 116 angewandte Temperaturmodell berichtigen und anpassen.

Der erste Temperaturwert 114 wird einer nachfolgenden zweiten Temperaturberechnung 118 zur Abschätzung einer Temperatur der zweiten Motorphase übergeben. Bei der zweiten Temperaturberechnung 118 wird abhängig von dem ersten Temperaturwert 114 und einer Energieverlustdifferenz DR zwischen dem ersten und zweiten Energieverlust eine

Temperatur der zweiten Motorphase als zweiter Temperaturwert 120 berechnet. Dabei wird der zweite Temperaturwert 120 abhängig von dem ersten Temperaturwert 114 und einer Temperaturdifferenz D$ berechnet. Die Temperaturdifferenz D# ist proportional zu der Energieverlustdifferenz DR. Der Proportionalitätsfaktor ist ein vorab ermittelter, zwischen der ersten und zweiten Motorphase vorliegender, thermischer Widerstand Rth.

Analog zu der Abschätzung der Temperatur der zweiten Motorphase kann bei der zweiten Temperaturberechnung 118 auch eine Temperatur der dritten Motorphase ausgehend von dem ersten Temperaturwert 114 und einer Energieverlustdifferenz DR zwischen dem ersten und dritten Energieverlust berechnet werden. Die während des Betriebs des Elektromotors erfolgende Temperaturermittlung 102 kann damit vereinfacht und der Berechnungsaufwand verringert werden.

In Figur 2 ist ein Blockdiagramm eines Elektromotors 122, bei dem ein Verfahren zur laufenden Zustandsüberwachung in einer weiteren speziellen Ausführungsform der

Erfindung angewendet wird, dargestellt.

Der Elektromotor 122 weist eine erste Motorphase m(1), eine zweite Motorphase m(2) und eine dritte Motorphase m(3) auf. Bei der ersten Temperaturberechnung wird ein

Energieverlust Pi der ersten Motorphase m(1) abgeschätzt und dabei ein erster

Energieverlustwert berechnet. Der erste Energieverlust umfasst dabei einen Leitungsverlust 109 der ersten Motorphase m(1) und einen der ersten Motorphase m(1) zugeordneten Eisenverlust 112. Durch eine bei der ersten Temperaturberechnung durchgeführte nachfolgende Temperaturschätzung wird abhängig von dem ersten Energieverlustwert ein erster Temperaturwert der ersten Motorphase m(1) berechnet.

Die Temperatur der weiteren Motorphasen m(i), hier der zweiten Motorphase m(2) und der dritten Motorphase m(3), können abhängig von diesem ersten Temperaturwert und einer Temperaturdifferenz D$, zwischen der jeweiligen Motorphase m(i) und der ersten

Motorphase m(1) berechnet werden. Die jeweilige Temperaturdifferenz D , wird abhängig von einer ermittelten Energieverlustdifferenz DR, zwischen einem Energieverlust P, der jeweiligen Motorphase m(i) und dem Energieverlust Pi ersten Motorphase m(1) und einem vorab festgelegten thermischen Widerstand Rth,i zwischen der jeweiligen Motorphase m(i) und der ersten Motorphase m(1) berechnet.

Bezuqszeichenliste

100 Verfahren

102 Temperaturermittlung

104 erste Temperaturberechnung

106 Energieverlustschätzung

108 erster Energieverlustwert

109 Leitungsverlust

110 Messung

112 Eisenverlust

114 erster Temperaturwert

116 Temperaturschätzung

118 zweite T emperaturberechnung

120 zweiter T emperaturwert

122 Elektromotor

m(1) erste Motorphase

m(2) zweite Motorphase

m(3) dritte Motorphase

Aϋ Temperaturdifferenz

P Energieverlust

DR Energieverlustdifferenz

Rth thermischer Widerstand