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Die Erfindung betrifft einen Lüftermotor. Insbesondere betrifft die Erfindung einen elektrischen Lüftermotor zum Antrieb eines Gebläses an Bord eines Kraftfahrzeugs.
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Stand der Technik
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Ein elektrischer Lüfter an Bord eines Kraftfahrzeugs umfasst einen elektrischen Lüftermotor und ein Gebläse. Das Gebläse ist üblicherweise dazu eingerichtet, einen Luftstrom durch einen Radiator bereitzustellen. Der Radiator kann beispielsweise zur Kühlung eines Lüftermotors des Kraftfahrzeugs oder zur Erwärmung einer Fahrgastzelle eingerichtet sein. Naturgemäß ist der Lüftermotor einem Verschleiß unterworfen. Ein Ende der Betriebsdauer des Lüftermotors kündigt sich üblicherweise dadurch an, dass der Lüftermotor schwergängig wird. Ein schwergängiger Lüftermotor sollte rechtzeitig ausgetauscht werden, um Folgeschäden durch eine Fehlfunktion des Lüfters zu vermeiden.
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Zur Bestimmung der Schwergängigkeit des Lüftermotors war es bisher üblich, eine aktuell aufgenommene Leistung des Lüftermotors auf der Basis einer Betriebsspannung und eines Betriebsstroms zu ermitteln und die bei diesem Betriebspunkt erwartete maximale Leistungsaufnahme zu berechnen. Diese Berechnung wurde üblicherweise auf der Basis einer aktuellen Temperatur, einer Drehzahl und diversen heuristischen Parametern durchgeführt. Der Lüftermotor wurde als schwergängig erkannt, wenn die aktuell aufgenommene Leistung um mehr als ein vorbestimmtes Maß von der erwarteten maximalen Leistungsaufnahme abwich.
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Es ist jedoch aufwendig, für eine spezifische Kombination aus einem Lüftermotor und einem Gebläse die heuristischen Parameter so zu bestimmen, dass eine zuverlässige Bestimmung der Schwergängigkeit des elektrischen Lüftermotors bei allen Exemplaren einer Serie von baugleichen Lüftermotoren durchgeführt werden kann. Zudem sind die bestimmten Parameter auf das untersuchte Gebläse bezogen, was die Vorgehensweise unflexibel macht. Außerdem ist diese Bestimmungsweise relativ ungenau, sodass auch die Bestimmung der Schwergängigkeit relativ ungenau ist. Dadurch kann ein bereits schwergängiger Lüftermotor noch als funktional oder ein noch ausreichend leichtgängiger Lüftermotor als schwergängig bestimmt werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Bestimmung der Schwergängigkeit eines elektrischen Lüftermotors bereitzustellen, das mit möglichst geringem Aufwand implementiert werden kann. Weitere Aufgaben der Erfindung bestehen in der Angabe eines korrespondierenden Computerprogrammprodukts, eines elektrischen Lüfters und eines Verfahrens zur Herstellung des elektrischen Lüfters. Die Erfindung löst diese Aufgaben mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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Offenbarung der Erfindung
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Bestimmen einer Schwergängigkeit eines elektrischen Lüftermotors umfasst Schritte des Bestimmens eines durch den Lüftermotor aufgenommenen elektrischen Moments, des Bestimmens eines durch den Lüftermotor abgegebenen Moments auf der Basis eines Referenzmoments, das am leichtgängigen Lüftermotor bestimmt wurde, und des Bestimmens der Schwergängigkeit des Lüftermotors, falls das elektrische Moment das abgegebene Moment um mehr als einen vorbestimmten Betrag übersteigt.
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Im Gegensatz zu bekannten Verfahren wird hier die Schwergängigkeit auf der Basis von Drehmomenten statt auf der Basis von Leistungen bestimmt. Durch den gewählten Ansatz kann die Schwergängigkeit mit verbesserter Genauigkeit bestimmbar sein. Außerdem können Parameter, die für die Bestimmung der Schwergängigkeit erforderlich sind, individuell bestimmt werden. Eine aufwendige Bestimmung heuristischer Parameter anhand von Reihenuntersuchungen kann daher nicht erforderlich sein. Das Verfahren ist an einer beliebigen Kombination eines Lüftermotors mit einer Steuereinrichtung und einer angetriebenen mechanischen Einrichtung einsetzbar. Ungeachtet unterschiedlicher Ausführungsformen können die einzelnen Parameter jeweils auf die gleiche Weise bestimmt werden.
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Dabei können die Referenzparameter, die nur den Lüftermotor betreffen, am noch nicht verbauten Lüftermotor bestimmt werden. Weitere Parameter, die die Kombination aus Lüftermotor und mechanischer Last betreffen, können an dieser spezifischen Kombination bestimmt werden. Die Bestimmung der Referenzparameter kann so in mehreren Stufen erfolgen. Dadurch kann eine maximale Flexibilität sowohl bei der Herstellung als auch bei der Kombination von Lüftermotor, mechanischer Last und Steuereinrichtung bereitgestellt sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird das durch den Lüftermotor aufgenommene elektrische Moment auf der Basis von Strangströmen durch Stränge des Lüftermotors und jeweils zu den Strängen korrespondierenden Flussverkettungen bestimmt. Während die Strangströme im laufenden Betrieb abgetastet werden, können die Flussverkettungen der Stränge während bzw. nach der Herstellung des Lüftermotors bestimmt und abgespeichert worden sein.
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Zusätzlich kann eine Schwergängigkeit des elektrischen Lüftermotors auf der Basis eines Verhaltens während des Hochlaufens auf eine Nenndrehzahl bestimmt werden. Dazu wird der Lüftermotor mit unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten betrieben und es werden Parameter geschätzt, die die Winkelgeschwindigkeiten jeweils mit einem Trägheitsmoment und dem durch den Lüftermotor aufgenommenen elektrischen Moment in Beziehung setzen. Weicht einer der geschätzten Parameter um mehr als ein vorbestimmtes Maß von einem korrespondierenden Parameter ab, der auf die gleiche Weise am leichtgängigen Lüftermotor bestimmt wurde, so wird die Schwergängigkeit des Lüftermotors bestimmt.
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So kann bei jedem Hochlaufen des Lüftermotors bereits eine schnelle und überschlagsmäßige Bestimmung seiner Schwergängigkeit durchgeführt werden. Die Parameter können beispielsweise per Regression geschätzt werden. Dabei können Residuen bestimmt werden, die die Abweichungen der geschätzten Parameter von den vorliegenden Messwerten anzeigen. Übersteigen die Residuen vorbestimmte Schwellenwerte, so kann von der Schwergängigkeit ausgegangen werden.
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In einer weiteren Ausführungsform wird der vorbestimmte Betrag, mit dem die Differenz aus dem elektrischen Moment und dem abgegebenen Moment verglichen wird, um einen von der Temperatur von Magneten des Lüftermotors abhängigen Hystereseverlust angepasst. So kann eine nachlassende magnetische Kraft der Magneten mit steigender Temperatur berücksichtigt werden. Eine irrtümliche Bestimmung des elektrischen Lüftermotors als schwergängig im Fall eines nachlassenden abgegebenen Moments aufgrund gestiegener Magnettemperaturen kann so verhindert werden.
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Bevorzugterweise erfolgt die Anpassung auf der Basis eines temperaturabhängigen Faktors und einer Abweichung der aktuellen Temperatur von einer Referenztemperatur, bei dem das Referenzmoment bestimmt wurde. Durch diesen Ansatz können die Hystereseverluste von anderen thermischen Effekten unterschieden werden.
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Ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt umfasst Programmcodemittel zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens, wenn das Computerprogrammprodukt auf einer Verarbeitungseinrichtung abläuft oder auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist.
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Ein erfindungsgemäßes System umfasst einen Lüftermotor und eine Steuereinrichtung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens. Die Steuereinrichtung kann bestimmte Referenzwerte, die den Lüftermotor betreffen, in einem lokalen Speicher aufnehmen, sodass die Kombination aus Lüftermotor und Steuereinrichtung aneinander angepasst ist.
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Ein Verfahren zur Herstellung des beschriebenen Systems umfasst Schritte des Bestimmens von Flussverkettungen für Stränge des Lüftermotors, des Betreibens des Lüftermotors bei unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten, des Bestimmens des jeweiligen elektrischen Moments auf der Basis der Flussverkettungen und von Strangströmen, des Schätzens von Parametern, die das elektrische Moment mit den Winkelgeschwindigkeiten in eine quadratische Beziehung setzen und des Abspeicherns der geschätzten Parameter und der bestimmten Flussverkettung in einem nichtflüchtigen Speicher der Steuereinrichtung.
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Auf diese Weise können bereits durch ein kurzes Betreiben des Lüftermotors an der Steuereinrichtung wichtige Parameter, die den Lüftermotor betreffen, bestimmt und in der Steuereinrichtung abgelegt werden. Die Steuereinrichtung und der Lüftermotor können so zu einer separat handhabbaren Einheit werden, die für die erleichterte Bestimmung einer Schwergängigkeit des Lüftermotors eingerichtet ist.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
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1 ein System mit einem Lüftermotor, und
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2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Bestimmung eines schwergängigen Lüftermotors
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Genaue Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1 zeigt ein System 100, das einen Lüftermotor 105, eine Steuereinrichtung 110 und vorzugsweise eine durch den Lüftermotor 105 angetriebene mechanische Applikation, beispielsweise einen Lüfter an Bord eines Kraftfahrzeugs, umfasst.
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Der Lüftermotor 105 ist vorzugsweise als Mehrphasen-Drehstrommotor in Sternoder Dreiecksform ausgelegt. Dazu umfasst der Lüftermotor 105 mehrere Stränge 120 und einen Magneten 125.
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Die Steuereinrichtung 110 umfasst eine Verarbeitungseinrichtung 130, die bevorzugterweise einen programmierbaren Mikrocomputer umfasst, sowie einen nichtflüchtigen Speicher 135. Ferner kann eine Endstufe 140 vorgesehen sein, die vorliegend als Brückenschaltung ausgeführt ist, um die Stränge 120 an einer Stromquelle 145 zu betreiben. In der dargestellten Endstufe 140 sind exemplarisch sechs Schalteinrichtungen 150 vorgesehen, die insbesondere durch Feldeffekttransistoren gebildet werden können und einzeln durch die Verarbeitungseinrichtung 130 ansteuerbar sind.
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Zur Bestimmung von Strömen durch die Stränge 120 sind Längswiderstände 155 jeweils zwischen der Endstufe 140 und den Strängen 120 vorgesehen. An den Längswiderständen 155 abfallende Spannungen weisen auf jeweils durch die Stränge 120 fließende Ströme hin und können durch die Verarbeitungseinrichtung 130 abgetastet werden. In anderen Ausführungsformen können die Längswiderstände 155 auch jeweils in Serie mit dem jeweiligen Strang 120 angeordnet sein. In noch einer weiteren Ausführungsform kann auch nur ein Längswiderstand 155 in einer der Verbindungsleitungen zwischen der Stromquelle 145 und der Endstufe 140 vorgesehen sein und eine Bestimmung der Ströme durch die einzelnen Stränge 120 kann durch die Verarbeitungseinrichtung 130 auf der Basis der Ansteuerungen der einzelnen Schalteinrichtungen 150 durchgeführt werden.
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Ferner ist bevorzugterweise ein Temperatursensor 160 vorgesehen, um eine Umgebungstemperatur des elektrischen Lüftermotors 105 abzutasten. In einer Ausführungsform empfängt die Verarbeitungseinrichtung 130 ein Temperatursignal einer Umgebung des Lüftermotors 105 und bestimmt auf der Basis dieses Temperatursignals die Temperatur des Lüftermotors 105. In noch einer weiteren Ausführungsform kann der Temperatursensor 160 zur Bestimmung der Temperatur des Magneten 125 eingerichtet sein.
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens v zur Herstellung eines Lüftermotors 105 bzw. eines Systems 100 aus 1. In einem ersten, links dargestellten Abschnitt 205 werden Schritte durchgeführt, die am Ende einer Produktion des Lüftermotors 105 erforderlich sind. In einen zweiten, mittleren Abschnitt 210 fallen Schritte, die durchgeführt werden können, nachdem der Lüftermotor 105 mit der mechanischen Applikation 115 zusammengefügt ist. Das Zusammenfügen erfolgt üblicherweise im Rahmen einer Montage eines OEM (Original Equipment Manufacturer), also beispielsweise eines Herstellers eines Kraftfahrzeugs, der den Antriebsmotor 105 mit einem Gebläse 115 in einem Kraftfahrzeug verbaut. Die Schritte des mittleren Abschnitts 210 werden erst durchgeführt, wenn der Einbau im Kraftfahrzeug vollständig abgeschlossen ist.
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Ein rechts dargestellter dritter Abschnitt 215 umfasst Schritte, die während des Betriebs des elektrischen Lüftermotors 105 zur Bestimmung der Schwergängigkeit durchgeführt werden. Diese Schritte laufen bevorzugt auf der Verarbeitungseinrichtung 130 des Systems 100 ab. Schritte der anderen Abschnitte 205 und 210 können ebenfalls auf der Verarbeitungseinrichtung 130 oder auf einer anderen Einrichtung ablaufen. Ergebnisse, die in vorbestimmten Schritten des Verfahrens 200 bestimmt werden, werden zur späteren Verwendung in anderen Schritten bevorzugt im nichtflüchtigen Speicher 135 abgelegt, der in jedem der Bereiche 205, 210 und 215 zugänglich ist.
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Im ersten Abschnitt 205 werden in einem Schritt 220 ohmsche Widerstände der Stränge 120 bestimmt. Dies kann auf der Basis von Strömen durch die einzelnen Stränge 120 und gleichzeitig anliegender Spannungen oder durch eine externe Messung bestimmt werden. In einem Schritt 222 werden Flussverkettungen der Stränge 120 bestimmt. Dazu kann beispielsweise der Lüftermotor 105 auf eine vorbestimmte Drehzahl gebracht und dann antriebslos auslaufen gelassen werden. Während des Auslaufens werden die jeweils in den Strängen 120 induzierten Spannungen abgetastet und in Abhängigkeit einer jeweils bestimmten Drehzahl bzw. Winkelgeschwindigkeit festgehalten. Als Rahmenbedingung wird zusätzlich in einem Schritt 224 eine Referenztemperatur T0 festgehalten. Die bestimmten Parameter werden dann in einem Schritt 226 im nichtflüchtigen Speicher 135 abgespeichert. Optional können in diesem Schritt die bestimmten Werte jeweils mit Referenzbereichen verglichen werden, die beispielsweise auf der Basis einer Simulation des jeweiligen elektrischen Lüftermotors 105 bestimmt wurden. Fällt einer der bestimmten Werte außerhalb des Referenzbereichs, so ist von einem defekten Lüftermotor 105 oder einer fehlerhaften Bestimmung in einem der Schritte 220 bis 224 auszugehen. Ansonsten können der individuelle Lüftermotor 105 ausgeliefert und die zugeordneten Werte weitergegeben werden. Im Fall des Systems 100 befinden sich die Werte im nichtflüchtigen Speicher 135.
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Im zweiten Abschnitt 210 wird der elektrische Lüftermotor 105 nach seinem Einbau an seinem Bestimmungsort und insbesondere nach seiner mechanischen Verbindung mit der Applikation 115 in einem Schritt 228 mit verschiedenen Winkelgeschwindigkeiten betrieben, bevorzugterweise durch Beschleunigen des Lüftermotors 105 auf dessen Nenndrehzahl. Für die Winkelgeschwindigkeiten kann das elektrische Moment jeweils wie folgt bestimmt werden: Mel = Jω + kfanω2 + kfrω (Gleichung 1) mit:
- Mel
- elektrisches Moment
- J
- Trägheitsmomentk
- kfanω2
- Lastmoment
- kfrω
- Reibmoment
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Das in Gleichung 1 angegebene Reibmoment k
fr, das durch Lager und Eisen verursachte Bremseinwirkungen umfasst, kann bei einem elektrischen Lüftermotor
105 mit sehr geringer Reibung unter Umständen nicht geschätzt werden. In diesem Fall muss das Reibmoment auf andere Weise, beispielsweise als Konstante, bestimmt werden. Das elektrische Moment M
el wird praktisch bevorzugterweise auf der Basis der bekannten Flussverkettung, der Flussdichte und des Strangstroms jedes Strangs
120 wie folgt bestimmt:
mit
- Ψ
- Flussverkettung
- Φ
- Flussdichte
- j
- Strang
- ij
- Strangstrom
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Auf der Basis der während des Beschleunigens des Lüftermotors 105 aufgenommenen Messungen werden nun J, kfan und kfr von Gleichung 1 mittels Schätzung bestimmt. Die Schätzung kann insbesondere mittels Regression bestimmt werden. In einem optionalen Schritt 232 wird überprüft, ob die bestimmten Schätzwerte realistisch sind. Dazu können vorbestimmte Bereiche angegeben sein, innerhalb deren die geschätzten Werte liegen müssen, um als realistisch anerkannt zu werden. Ist einer der Werte nicht realistisch, so kann eine entsprechende Fehlermeldung ausgegeben werden, andernfalls kann das Verfahren 200 fortfahren.
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In einem Schritt 234 befindet sich der Lüftermotor 105 im stationären Zustand, hat also seine Nenndrehzahl erreicht und eventuelle Einschwingvorgänge sind abgeschlossen. In diesem Zustand wird mittels der folgenden Gleichung ein Referenzmoment bei einer Referenzdrehzahl und einer Referenztemperatur für den Lüftermotor 105 mit der Applikation 115 bestimmt: Mel – kfrω = M0(n0T0) (Gleichung 3) mit
- M0
- Referenzmoment
- n0
- Referenzdrehzahl
- T0
- Referenztemperatur
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Die Referenztemperatur wird dabei üblicherweise als Umgebungstemperatur bestimmt oder von extern bereitgestellt. In einem Schritt 236 werden die in den Schritten 234 und 232 bestimmten Informationen abgespeichert, vorzugsweise im nichtflüchtigen Speicher 135.
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Im dritten Abschnitt 215 erfolgt die tatsächliche Bestimmung der Schwergängigkeit des Lüftermotors 105 während seines Betriebs. In Schritten 238 und 240, die paarweise den Schritten 228 und 230 aus dem zweiten Abschnitt 210 entsprechen, werden wieder die Parameter J, kfan und kfr aus Gleichung 1 geschätzt. In einem Schritt 242 werden die bestimmten Werte mit den im nichtflüchtigen Speicher 135 abgespeicherten Werten verglichen. Ergibt sich dabei eine Abweichung, die ein vorbestimmtes Maß übersteigt, so kann dies bereits als Hinweis auf eine Schwergängigkeit des elektrischen Lüftermotors 105 gewertet werden.
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In einem Schritt 244 befindet sich der Lüftermotor 105 wieder im stationären Zustand, wie oben mit Bezug auf Schritt 234 erläutert wurde. Hier wird das elektrisch vom Lüftermotor 105 abgegebene Moment mit dem beim vorliegenden Betriebspunkt erwarteten Moment verglichen: Mel = MAf + kfrω = MAf + Mfr (Gleichung 4) mit
- MAf
- vom Lüftermotor 105 erzeugtes Lastmoment
- kfrω
- Reibmoment
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Das vom Lüftermotor
105 erzeugte Lastmoment wird dabei wie folgt auf der Basis der zuvor abgespeicherten Parameter bestimmt:
mit
- MAf
- vom Lüftermotor erzeugtes Lastmoment
- T0
- Referenztemperatur
- TAmb
- Umgebungstemperatur
- n
- Drehzahl
- n0
- Referenzdrehzahl
- M0
- Referenzmoment
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Die Umgebungstemperatur kann über eine einfache Skalierung auf der Basis eines extern bereitgestellten Wertes berechnet werden. Alternativ kann die Umgebungstemperatur auch auf der Basis eines Temperatursignals des Temperatursensors 160 von 1 bestimmt werden.
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Die durch das Eisen und die Magnete 125 verursachten Reibmomente im Lüftermotor 105 werden über die folgende Beziehung ermittelt: Mfr = kTkfω (Gleichung 6) mit
- Mfr
- Reibmoment
- kT
- Faktor
- kfrω
- Reibmoment
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Dabei kann der Faktor kT, der die von der Temperatur des Magneten 125 abhängigen Hystereseverluste ausdrückt, wie folgt bestimmt werden: kT = (1 – αBr(TMag – T0)) (Gleichung 7) mit
- αBr
- 0,002 K–1
- TMag
- Temperatur der Magneten des Lüftermotors 105
- T0
- Referenztemperatur
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Die Temperatur des Magneten 125 kann dabei beispielsweise auf der Basis eines geeigneten Thermonetzwerks unmittelbar bestimmt oder auf der Basis des Temperatursignals des Temperatursensors 160 indirekt bestimmt werden.
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In einem Schritt 246 wird das Reibmoment auf der Basis von Gleichung 4 bestimmt. Übersteigt das dabei bestimmte Residuum zwischen dem bestimmten Reibmoment und dem Reibmoment bei leichtlaufendem Lüftermotor 105 einen vorbestimmten Schwellenwert, so wird in einem Schritt 248 bestimmt, dass der elektrische Lüftermotor 105 schwergängig ist. In der Folge kann ein entsprechender Hinweis ausgegeben werden, um eine Instandsetzung bzw. einen Austausch des Lüftermotors 105 zu veranlassen, noch bevor der Lüftermotor 105 funktionsunfähig wird.
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Durch das beschriebene Verfahren 200 ist es möglich, eine individuelle Parametrisierung einer Schwergängigkeitserkennung in mehreren Abschnitten 205–215 durchzuführen. Ein System 100 kann hergestellt und in ersten Abschnitt mit initialen Parametern versehen werden, die mit wenig Aufwand individuell für das System 100 bestimmt werden. Das System 100 kann dann im zweiten Abschnitt 210 mit einer beliebigen mechanischen Applikation 115 zusammen geführt werden, bevor weitere individuelle Parameter bestimmt werden. Dadurch ist das System 100 für beliebige Applikationen 115 verwendbar, ohne neu parametrisiert werden zu müssen. Anschließend kann die Schwergängigkeitserkennung im dritten Abschnitt 215 mit hoher Genauigkeit und geringem Verarbeitungsaufwand im normalen Betrieb des Lüftermotors 105 durchgeführt werden.
