DE102018130495A1 - Verfahren zur laufenden Zustandsüberwachung eines Elektromotors - Google Patents
Verfahren zur laufenden Zustandsüberwachung eines Elektromotors Download PDFInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren (100) zur laufenden Zustandsüberwachung eines Elektromotors (122), aufweisend einen Rotor und einen Stator und wenigstens zwei Motorphasen (m(1), m(2)) zur Bewirkung einer Drehbewegung des Rotors gegenüber dem Stator, wobei in einem Betriebszustand des Elektromotors der ersten Motorphase (m(1)) ein erster Energieverlust (P) und der zweiten Motorphase (m(2)) ein zweiter Energieverlust (P) zugeordnet ist, wobei eine Temperaturermittlung (102) im Betrieb des Elektromotors erfolgt, indem zunächst eine erste Temperaturberechnung (104) zur Abschätzung einer Temperatur der ersten Motorphase (m(1)) durchgeführt wird, wobei die erste Temperaturberechnung (104) eine Energieverlustschätzung (106), bei der wenigstens ein erster Energieverlustwert (108) der ersten Motorphase (m(1)) und eine Temperaturschätzung (116), bei der eine von dem ersten Energieverlustwert (108) abhängige Temperatur der ersten Motorphase (m(1)) als erster Temperaturwert (114) berechnet wird, einbezieht und anschließend eine zweite Temperaturberechnung (118) zur Abschätzung einer Temperatur der zweiten Motorphase (m(2)) durchgeführt wird, bei der abhängig von dem ersten Temperaturwert (114) und einer Energieverlustdifferenz (ΔP) zwischen dem ersten und zweiten Energieverlust (P, P) eine Temperatur der zweiten Motorphase (m(2)) als zweiter Temperaturwert (120) berechnet wird.
Description
- 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 - 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 Δϑ2 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 Δϑ2 proportional zu der Energieverlustdifferenz
ΔP2 . Der Proportionalitätsfaktor kann ein vorab ermittelter thermischer WiderstandRth,2 sein. Der thermische WiderstandRth,2 kann zwischen der ersten und zweiten Motorphase vorliegen. - Die Temperaturdifferenz Δϑi einer jeder weiteren Motorphase
m(i) , insbesondere die Temperaturdifferenz Δϑ2 der zweiten Motorphasem(2) , kann ausgehend von der ersten Motorphasem(1) als Referenzphase und abhängig von der EnergieverlustdifferenzΔPi zwischen der jeweiligen Motorphasem(i) und der ersten Motorphasem(1) wie folgt berechnet werden -
- 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 WiderstandRth,i kann über eine Berechnung und/oder Messung bestimmt werden. Der thermische WiderstandRth,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
ΔPi können bei der Berechnung der Temperaturdifferenz Δϑi berücksichtigt werden. Die Temperaturdifferenz Δϑi kann unter Einbezug dieser dynamischen Änderungen über eine Differenzengleichung berechnet werden. Auch bei zeitinvarianten Energieverlusten oder EnergieverlustdifferenzenΔPi ergeben sich durch die thermischen Kapazitäten dynamische Temperaturdifferenzen Δϑi, 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:
-
1 : Ein Verfahren zur laufenden Zustandsüberwachung eines Elektromotors in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung. -
2 : Ein Blockdiagramm eines Elektromotors, bei dem ein Verfahren zur laufenden Zustandsüberwachung in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung angewendet wird. -
1 zeigt ein Verfahren100 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 Temperaturberechnung104 zur Abschätzung einer Temperatur der ersten Motorphase durchgeführt. Bei der ersten Temperaturberechnung104 wird ein erster Energieverlustwert108 eines der ersten Motorphase zugeordneten Energieverlusts durch eine Energieverlustschätzung106 ermittelt. Dabei wird ein Leitungsverlust109 der ersten Motorphase abhängig von einer Messung110 einer ersten Phasenspannung, eines ersten Phasenstroms und/oder einer Phasenfrequenz jeweils der ersten Motorphase berechnet. Weiterhin wird ein Eisenverlust112 des Elektromotors wenigstens abhängig von einer Messung110 einer Drehfrequenz berechnet. Der Eisenverlust112 des Elektromotors kann Wirbelstromverluste und/oder Hystereseverluste umfassen. - Bei der ersten Temperaturberechnung
104 wird weiterhin eine von dem ersten Energieverlustwert108 abhängige Temperatur der ersten Motorphase als erster Temperaturwert114 durch eine Temperaturschätzung116 berechnet. Die Temperaturschätzung116 kann dabei auch eine Messung110 einer Temperatur in dem Elektromotor, insbesondere an der ersten Motorphase oder im Bereich der ersten Motorphase, berücksichtigen und davon abhängig das bei der Temperaturschätzung116 angewandte Temperaturmodell berichtigen und anpassen. - Der erste Temperaturwert
114 wird einer nachfolgenden zweiten Temperaturberechnung118 zur Abschätzung einer Temperatur der zweiten Motorphase übergeben. Bei der zweiten Temperaturberechnung118 wird abhängig von dem ersten Temperaturwert114 und einer EnergieverlustdifferenzΔP zwischen dem ersten und zweiten Energieverlust eine Temperatur der zweiten Motorphase als zweiter Temperaturwert120 berechnet. Dabei wird der zweite Temperaturwert120 abhängig von dem ersten Temperaturwert114 und einer Temperaturdifferenz Δϑ berechnet. Die Temperaturdifferenz Δϑ ist proportional zu der EnergieverlustdifferenzΔP . 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 Temperaturwert114 und einer EnergieverlustdifferenzΔP zwischen dem ersten und dritten Energieverlust berechnet werden. Die während des Betriebs des Elektromotors erfolgende Temperaturermittlung102 kann damit vereinfacht und der Berechnungsaufwand verringert werden. - In
2 ist ein Blockdiagramm eines Elektromotors122 , bei dem ein Verfahren zur laufenden Zustandsüberwachung in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung angewendet wird, dargestellt. - Der Elektromotor
122 weist eine erste Motorphasem(1) , eine zweite Motorphasem(2) und eine dritte Motorphasem(3) auf. Bei der ersten Temperaturberechnung wird ein EnergieverlustP1 der ersten Motorphasem(1) abgeschätzt und dabei ein erster Energieverlustwert berechnet. Der erste Energieverlust umfasst dabei einen Leitungsverlust109 der ersten Motorphasem(1) und einen der ersten Motorphasem(1) zugeordneten Eisenverlust112 . Durch eine bei der ersten Temperaturberechnung durchgeführte nachfolgende Temperaturschätzung wird abhängig von dem ersten Energieverlustwert ein erster Temperaturwert der ersten Motorphasem(1) berechnet. - Die Temperatur der weiteren Motorphasen
m(i) , hier der zweiten Motorphasem(2) und der dritten Motorphasem(3) , können abhängig von diesem ersten Temperaturwert und einer Temperaturdifferenz Δϑi zwischen der jeweiligen Motorphasem(i) und der ersten Motorphasem(1) berechnet werden. Die jeweilige Temperaturdifferenz Δϑi wird abhängig von einer ermittelten EnergieverlustdifferenzΔPi zwischen einem EnergieverlustPi der jeweiligen Motorphasem(i) und dem EnergieverlustP1 ersten Motorphasem(1) und einem vorab festgelegten thermischen WiderstandRth,i zwischen der jeweiligen Motorphasem(i) und der ersten Motorphasem(1) berechnet. - Bezugszeichenliste
-
- 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 Temperaturberechnung
- 120
- zweiter Temperaturwert
- 122
- Elektromotor
- m(1)
- erste Motorphase
- m(2)
- zweite Motorphase
- m(3)
- dritte Motorphase
- Δϑ
- Temperaturdifferenz
- P
- Energieverlust
- ΔP
- Energieverlustdifferenz
- Rth
- thermischer Widerstand
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
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- WO 2015/110107 A2 [0003]
- DE 102010038560 A1 [0004]
Claims (10)
- Verfahren (100) zur laufenden Zustandsüberwachung eines Elektromotors (122), aufweisend einen Rotor und einen Stator und wenigstens zwei Motorphasen (m(1), m(2)) zur Bewirkung einer Drehbewegung des Rotors gegenüber dem Stator, wobei in einem Betriebszustand des Elektromotors der ersten Motorphase (m(1)) ein erster Energieverlust (P1) und der zweiten Motorphase (m(2)) ein zweiter Energieverlust (P2) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperaturermittlung (102) im Betrieb des Elektromotors erfolgt, indem zunächst eine erste Temperaturberechnung (104) zur Abschätzung einer Temperatur der ersten Motorphase (m(1)) durchgeführt wird, wobei die erste Temperaturberechnung (104) eine Energieverlustschätzung (106), bei der wenigstens ein erster Energieverlustwert (108) der ersten Motorphase (m(1)) und eine Temperaturschätzung (116), bei der eine von dem ersten Energieverlustwert (108) abhängige Temperatur der ersten Motorphase (m(1)) als erster Temperaturwert (114) berechnet wird, einbezieht und anschließend eine zweite Temperaturberechnung (118) zur Abschätzung einer Temperatur der zweiten Motorphase (m(2)) durchgeführt wird, bei der abhängig von dem ersten Temperaturwert (114) und einer Energieverlustdifferenz (ΔP2) zwischen dem ersten und zweiten Energieverlust (P1, P2) eine Temperatur der zweiten Motorphase (m(2)) als zweiter Temperaturwert (120) berechnet wird.
- Verfahren (100) nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Motorphase (m(3)) vorhanden ist, der in dem Betriebszustand des Elektromotors ein dritter Energieverlust (P3) zugeordnet ist, wobei bei der zweiten Temperaturberechnung (118) eine Temperatur an der dritten Motorphase (m(3)) als dritter Temperaturwert abhängig von dem ersten Temperaturwert (114) und einer Energieverlustdifferenz (ΔP3) zwischen der ersten und dritten Motorphase (m(1), m(3)) berechnet wird. - Verfahren (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieverlustschätzung (106) einen Leitungsverlust (109) der ersten Motorphase (m(1)) abhängig von einer Messung (110) einer ersten Phasenspannung, eines ersten Phasenstroms und/oder einer Phasenfrequenz jeweils der ersten Motorphase berechnet.
- Verfahren (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieverlustschätzung (106) wenigstens einen Eisenverlust (112) des Elektromotors wenigstens abhängig von einer Messung (110) einer Drehfrequenz des Rotors berechnet.
- Verfahren (100) nach einem der
Ansprüche 3 oder4 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste Energieverlustwert abhängig von dem Leitungsverlust (109) und/oder dem Eisenverlust (112) ist. - Verfahren (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur in dem Elektromotor, insbesondere an der ersten Motorphase (m(1)) oder in einem Bereich der ersten Motorphase (m(1)), als Temperaturmesswert durch eine Messung (110) gemessen wird und die erste Temperaturberechnung (104) den Temperaturmesswert bei der Berechnung des ersten Temperaturwerts (114) berücksichtigt.
- Verfahren (100) nach
Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet, dass die zur Durchführung der ersten Temperaturberechnung (104) getroffenen Berechnungsgrundlagen abhängig von dem ersten Temperaturmesswert angepasst werden. - Verfahren (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der zweiten Temperaturberechnung (118) der zweite Temperaturwert (120) abhängig von dem ersten Temperaturwert (114) und einer Temperaturdifferenz (Δϑ2) berechnet wird.
- Verfahren (100) nach
Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturdifferenz (Δϑ2) proportional zu der Energieverlustdifferenz (ΔP2) ist, der Proportionalitätsfaktor ein vorab ermittelter thermischer Widerstand (Rth,2) ist, der zwischen der ersten und zweiten Motorphase (m(1), m(2)) vorliegt. - Verfahren (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung des zweiten Temperaturwerts (120) die vorhandenen thermischen Kapazitäten berücksichtigt.
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