DE102014103825A1

DE102014103825A1 - Motorantriebseinrichtung mit einer Erfassung von Normabweichungen

Info

Publication number: DE102014103825A1
Application number: DE102014103825.8A
Authority: DE
Inventors: c/o FANUC CORPORATION Sasaki Taku
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2013-03-22
Filing date: 2014-03-20
Publication date: 2014-09-25
Also published as: JP2014187789A; CN104065325B; US9496818B2; US20140285131A1; CN104065325A

Abstract

Die Erfindung stellt eine Motorantriebseinrichtung bereit, die umfasst: eine Leistungshalbleiter-Vorrichtung (11), die der Stromwandlung dient; eine Antriebseinheit (12), die die Ansteuerung der Leistungshalbleiter-Vorrichtung (11) kontrolliert, damit ein Motor mit Strom versorgt wird; eine Wärmeübertragungsanordnung (13), die die von der Leistungshalbleiter-Vorrichtung (11) erzeugte Wärme über ein Wärmeleitteil auf ein Kühlmedium überträgt; eine Temperaturerfassungseinheit (14), die die tatsächliche Temperatur des Wärmeleitteils erfasst; eine Stromerfassungseinheit (15), die den Stromwert eines Ausgangsstroms der Leistungshalbleiter-Vorrichtung (11) für den Motor erfasst; eine Temperaturschätzeinheit (16), die eine geschätzte Temperatur des Wärmeleitteils aus dem Ausgangsstromwert berechnet; und eine Störungserkennungseinheit (17), die die An- oder Abwesenheit einer Störung in der Wärmeübertragungsanordnung (13) aus der Differenz zwischen der tatsächlichen Temperatur und der geschätzten Temperatur erkennt.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Motorantriebseinrichtung. Sie betrifft insbesondere eine Motorantriebseinrichtung, die eine Funktion zum Erfassen von Normabweichungen hat, die eine Abweichung beim Wärmeabfuhrweg oder bei einem der Wärmeabfuhr dienenden Teil erfasst, das einen Kühler aufweist, der von einer Leistungshalbleitervorrichtung erzeugte Wärme nach außen abführt.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Leistungshalbleiter-Bauteile sind Bauelemente, die bei der Stromwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom oder Gleichstrom in Wechselstrom verwendet werden. Sie werden in einer Motorantriebseinrichtung verwendet, die dafür ausgelegt ist, eine Vorschubwelle und eine Hauptwelle einer Werkzeugmaschine anzutreiben, oder einen Arm einer Industriemaschine oder eines Industrieroboters usw. Die Leistungshalbleiter-Vorrichtung wird in der Regel in enger Berührung mit einem Kühler usw. implementiert und dafür ausgelegt, dass die bei der Stromlieferung erzeugte Wärme auf den Kühler übertragen wird. Der Kühler führt die Wärme durch natürliche Konvektion an die Luft ab.
In manchen Fällen führt der Kühler die Wärme wirksam an die Luft ab, indem ein Gebläsemotor zum Erzeugen eines Luftstroms verwendet wird, der erwärmte Luft nach außen befördert. Damit kann man einen Temperaturanstieg der Leistungshalbleiter-Vorrichtung verhindern und die Fähigkeit der Leistungshalbleiter-Vorrichtung vollständig ausnützen.
Die Leistungshalbleiter-Vorrichtung kann ihre Fähigkeiten jedoch nicht völlig ausschöpfen, falls durch eine Fehlfunktion oder Störung die Wärmeabfuhrfähigkeit in einem gewissen Bereich des Wärmeabfuhrwegs der beschriebenen Leistungshalbleiter-Vorrichtung beeinträchtigt wird. Zudem kann die Leistungshalbleiter-Vorrichtung beschädigt werden, wenn die Vorrichtung trotz der Fehlfunktion oder Störung weiter betrieben wird.
Als Beispiele seien die folgenden Faktoren für eine mögliche Fehlfunktion oder Störung des Wärmeabfuhrwegs genannt:

1) geringe Wärmeleitfähigkeit von einem Chip der Leistungshalbleiter-Vorrichtung zu einer Sockel-Metalloberfläche (die durch eine Fehlfunktion der Leistungshalbleiter-Vorrichtung selbst verursacht werden kann);
2) geringe Wärmeleitfähigkeit zwischen der Sockel-Metalloberfläche und dem Kühler (die dadurch bedingt sein kann, dass kein Silikonfett verwendet wurde oder die Wirksamkeit des Silikonfetts mit der Zeit nachgelassen hat);
3) geringe Wärmeleitfähigkeit des Kühlers (die durch Zusetzen der Wärmeabfuhrrippen mit Staub verursacht werden kann, wodurch die Luftströmung behindert wird, oder durch verschmutzte Oberflächen der Wärmeabfuhrrippen, die die Wärmeabfuhrfähigkeit verringern);
4) ungenügende Luftströmung bezogen auf eine gewünschte Menge (kann durch eine Störung des Gebläsemotors verursacht werden (Drehzahlabfall, Stillstand usw.)).

Zum Erkennen der genannten Fehlfunktionen oder Störungen werden verschiedene Vorgehensweisen vorgeschlagen. Bezüglich der genannten Faktoren 1) bis 3) wird beispielsweise in einer der vorgeschlagenen Vorgehensweisen eine Einheit implementiert, die dafür ausgelegt ist, die Temperatur des Chips der Leistungshalbleiter-Vorrichtung und des Kühlers direkt zu erfassen und die Motorantriebseinrichtung anzuhalten, falls die Temperatur eine gewisse spezifizierte Temperatur überschreitet (siehe beispielsweise die ungeprüfte japanische Patentschrift Nr. JP-A-2011-036095 , im Weiteren als ”Patentliteratur 1” bezeichnet).
In der Patentliteratur 1 wird ein Verfahren zum Berechnen der Temperatur einer Leistungshalbleiter-Vorrichtung vorgeschlagen, während sie mit Strom versorgt wird, um dadurch die Vorrichtung geeignet zu schützen. Das Verfahren zum Berechnen der Temperatur der Leistungshalbleiter-Vorrichtung umfasst das Ermitteln einer Summe von Temperaturwerten, die an einem Referenzpunkt gemessen werden, und eines berechneten Werts, der dem Temperaturanstieg in der Leistungshalbleiter-Vorrichtung bezüglich des Referenzpunkts entspricht. Bei der Berechnung des Temperaturanstiegs ist die Wärmeleitfähigkeit der Leistungshalbleiter-Vorrichtung mit dem primären Verzögerungssystem modelliert.
Der in der Patentliteratur 1 beschriebene Stand der Technik beruht jedoch auf der Annahme, dass in dem Wärmeabfuhrweg keine Fehlfunktion oder Störung auftritt, und dass die tatsächliche Temperatur durch den berechneten Wert der Temperatur der Leistungshalbleiter-Vorrichtung korrekt geschätzt wird. Es ist daher nicht möglich, eine korrekte Berechnung und einen geeigneten Schutz bereitzustellen, wenn in dem Wärmeabfuhrweg eine Fehlfunktion oder Störung auftritt. Der beschriebene Stand der Technik ist nicht in der Lage, eine Fehlfunktion oder Störung des Wärmeabfuhrwegs zu erkennen.
Zudem tritt beim in der Patentliteratur 1 beschriebenen Stand der Technik die Schwierigkeit auf, dass ”die Kosten wegen des Implementierens einer Temperaturerfassungseinheit steigen”; dass eine Störungserkennung nur möglich ist, wenn ”die gewisse spezifizierte Temperatur überschritten wird”; und ”dass die Störungserkennung nur für einen beschränkten Bereich der Abschnitte des Wärmeabfuhrwegs möglich ist”.
Für den genannten Faktor 4) wird eine Vorgehensweise vorgeschlagen, bei der beispielsweise der Rotationsstatus des Gebläsemotors überwacht wird (dreht sich oder steht, Drehzahl usw.) und die Motorantriebseinrichtung angehalten wird, wenn der Rotationsstatus unnormal ist. Eine weitere Vorgehensweise wird vorgeschlagen, bei der eine Störung des Rotationsstatus des Gebläsemotors erkannt wird, indem die Temperaturveränderung des Kühlers beobachtet wird, wenn die Stromversorgung des Motors unterbrochen ist (siehe beispielsweise die ungeprüfte japanische Patentschrift Nr. JP-A-2007-312536 , im Weiteren als ”Patentliteratur 2” bezeichnet). Da der Gebläsemotor eine unabhängige Komponente des Wärmeabfuhrwegs ist, kann man Störungen und Fehlfunktionen des Gebläsemotors relativ leicht erkennen.
In der Patentliteratur 2 ist eine Wechselrichtervorrichtung offenbart, die eine Störung einer Luftgebläseeinheit erkennt, beispielsweise eines Gebläsemotors. 1 zeigt einen Teil des in der Patentliteratur 2 beschriebenen Kühlmechanismus. Ein Leistungshalbleiter-Vorrichtungsmodul 1009 und ein Diodenmodul 1007 sind in enger Berührung mit einer Wärmeabfuhrrippe 1010 montiert, die als Wärmeabfuhrteil dient. Ein Temperatursensor 1011, der dafür ausgelegt ist, die Temperatur der Wärmeabfuhrrippe 1010 zu erfassen, befindet sich auf der Oberseite der Wärmeabfuhrrippe 1010. Die Wärmeabfuhrrippe 1010 umfasst eine Anzahl Rippen 1010A. Es ist auch ein Kühlgebläse 1012 vorhanden, wodurch die Kühlluft über die Rippen 1010A streicht.
Beim Stand der Technik, der in der Patentliteratur 2 beschrieben ist, wird eine Störung in der Luftgebläseeinheit erkannt, indem die Stromversorgung nach dem Auftreten eines gewissen Temperaturanstiegs des Wärmeabfuhrteils angehalten wird, und der folgende Temperaturabfall des Wärmeabfuhrteils beobachtet wird. Genauer gesagt wird eine Störung der Luftgebläseeinheit abhängig von einer Differenz zwischen dem Temperaturabfall im unterbrochenen Zustand und einem Temperaturabfall im ununterbrochenen Zustand der Luftgebläseeinheit erfasst.
Der beschriebene Stand der Technik kann in der Lage sein, eine Störung der Luftgebläseeinheit (Gebläsemotor usw.) im Wärmeabfuhrweg zu erkennen. Man beachte jedoch, dass Probleme bestehen, dass die Störung nur in der Luftgebläseeinheit erkannt werden kann. Eine genaue Erkennung ist nicht möglich, wenn eine Fehlfunktion in einer Einheit auftritt, die die Luftgebläseeinheit ein- bzw. ausschaltet, und in einer Einheit, die die Temperatur des Wärmeabfuhrteils erfasst. Zudem kann eine Erfassung nicht erfolgen, wenn die Stromversorgung nicht unterbrochen ist.
Im Zusammenhang mit der Erkennung von Störungen und Fehlfunktionen des Wärmeabfuhrwegs, der von einem Leistungshalbleiter erzeugte Wärme abführt, ist es mit herkömmlichen Vorgehensweisen schwierig, ”Störungen von verschiedenen Komponenten kostengünstig zu erkennen, die bei der Wärmeabfuhr mitwirken” und zwar ”in einem frühen Zustand”. Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, Störungen und Fehlfunktionen der Komponenten einfach zu erkennen, die sich im Wärmeabfuhrweg der beschriebenen Leistungshalbleiter-Vorrichtung befinden, und zwar bei verringerten Kosten für die Motorantriebseinrichtung.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung stellt eine Motorantriebseinrichtung bereit, die eine Leistungshalbleiter-Vorrichtung umfasst, die der Stromwandlung dient; eine Antriebseinheit, die dafür ausgelegt ist, die Ansteuerung der Leistungshalbleiter-Vorrichtung zu kontrollieren, damit ein Motor mit Strom versorgt wird; eine Wärmeübertragungsanordnung, die dafür ausgelegt ist, die von der Leistungshalbleiter-Vorrichtung erzeugte Wärme über ein Wärmeleitteil auf ein Kühlmedium zu übertragen; eine Temperaturerfassungseinheit, die dafür ausgelegt ist, die tatsächliche Temperatur des Wärmeleitteils zu erfassen; eine Stromerfassungseinheit, die dafür ausgelegt ist, den Stromwert eines Ausgangsstroms der Leistungshalbleiter-Vorrichtung für den Motor zu erfassen; eine Temperaturschätzeinheit, die dafür ausgelegt ist, eine geschätzte Temperatur des Wärmeleitteils aus dem Ausgangsstromwert zu berechnen; und eine Störungserkennungseinheit, die dafür ausgelegt ist, die An- oder Abwesenheit einer Störung in der Wärmeübertragungsanordnung aus der Differenz zwischen der tatsächlichen Temperatur und der geschätzten Temperatur zu erkennen.
Vergleicht man die Motorantriebseinrichtung der Erfindung mit dem Stand der Technik, so treten die folgenden vorteilhaften Auswirkungen auf. Erstens muss die Erfassung der tatsächlichen Temperatur nur an einem einzigen Punkt vorgenommen werden. Damit sind komplizierte Erfassungsschaltungen und Komponenten hierfür nicht zusätzlich nötig. Zweitens ermöglicht es die Erfindung, Fehlfunktionen und Störungen in den aufeinander folgenden Wärmeabfuhrwegen insgesamt zu erfassen, und dadurch bis zu einem gewissen Grad den Ort festzustellen, an dem die Fehlfunktion oder Störung auftritt. Drittens kann eine Störung unabhängig davon erkannt werden, ob die Stromversorgung des Motors arbeitet oder nicht. Da die Erfindung viertens in der Lage ist, den Prozess zu überwachen, wenn ein normaler Status verlassen wird und eine Fehlfunktion oder Störung auftritt, kann man eine Warnung usw. erzeugen, bevor die Motorantriebseinrichtung angehalten wird (man kann ein unnötiges Anhalten der Produktion durch einen Stillstand der Werkzeugmaschinen in der Produktion vermeiden). Fünftens kann durch den dauerhaft vorgenommenen Vergleich der zwei Werte eine Fehlfunktion oder Störung unmittelbar erkannt werden, wenn einer der beiden Werte als fehlerhaft oder unnormal erkannt wird.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Vorteile und Merkmale der Erfindung und weitere Vorteile und Merkmale gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung anhand der Zeichnungen hervor.
Es zeigt:
1 eine perspektivische Ansicht einer Kühlanordnung einer herkömmlichen Leistungshalbleiter-Vorrichtung;
2 eine Aufbauskizze einer Motorantriebseinrichtung einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
3 ein Flussdiagramm des Arbeitsablaufs der Motorantriebseinrichtung der ersten Ausführungsform der Erfindung;
4 eine Abbildung, die das Erkennen der An- oder Abwesenheit einer Störung anhand des Zusammenhangs zwischen der tatsächlichen Temperatur und der geschätzten Temperatur einer Wärmeübertragungsanordnung in der Motorantriebseinrichtung der Erfindung erläutert;
5 ein Flussdiagramm des Arbeitsablaufs der Motorantriebseinrichtung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; und
6 eine Aufbauskizze einer Motorantriebseinrichtung einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Eine Motorantriebseinrichtung der Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen beschrieben. Man beachte, dass der technische Bereich der Erfindung nicht auf die erläuterten Ausführungsformen eingeschränkt ist, sondern dass der technische Bereich der Erfindung durch die Ansprüche bestimmt ist, die beigefügt sind.
Erste Ausführungsform
2 zeigt eine Aufbauskizze einer Motorantriebseinrichtung einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Motorantriebseinrichtung 1 der Erfindung umfasst eine Leistungshalbleiter-Vorrichtung 11 für die Stromwandlung; eine Ansteuereinheit 12, die dafür ausgelegt ist, die Ansteuerung der Leistungshalbleiter-Vorrichtung 11 zu kontrollieren, damit der Motor 4 mit Strom versorgt wird; eine Wärmeübertragungsanordnung 13, die dafür ausgelegt ist, von der Leistungshalbleiter-Vorrichtung 11 erzeugte Wärme über ein Wärmeleitteil an ein Kühlmedium zu übertragen; eine Temperaturerfassungseinheit 14, die dafür ausgelegt ist, die tatsächliche Temperatur des Wärmeleitteils zu erfassen, eine Stromerfassungseinheit 15, die dafür ausgelegt ist, den Stromwert eines Ausgabestroms der Leistungshalbleiter-Vorrichtung 11 an den Motor 4 zu erfassen; eine Temperaturschätzeinheit 16, die dafür ausgelegt ist, eine geschätzte Temperatur des Wärmeleitteils abhängig vom Ausgabestromwert zu berechnen; und eine Störungserkennungseinheit 17, die dafür ausgelegt ist, die An- oder Abwesenheit einer Störung in der Wärmeübertragungsanordnung 13 abhängig von der Differenz zwischen der tatsächlichen Temperatur und der geschätzten Temperatur festzustellen.
Die Störungserkennungseinheit 17 besitzt eine Speichereinheit (nicht dargestellt) zum Speichern eines Grenzwerts K, der dem Feststellen der An- oder Abwesenheit einer Störung dient. Überschreitet die Differenz zwischen der tatsächlichen Temperatur und der geschätzten Temperatur den Grenzwert K, so wird festgestellt, dass eine Störung vorliegt.
Die Motorantriebseinrichtung 1, die dafür ausgelegt ist, den Betrieb des Motors 4 zu kontrollieren, umfasst eine Motorsteuereinheit 18, die eine Warnung von der Störungserkennungseinheit 17 empfängt, und die Motorsteuereinheit 18 schränkt den Betrieb des Motors 4 nach Erhalt der Warnung ein.
Mit der Motorantriebseinrichtung 1 ist eine Hoststeuervorrichtung 2 verbunden. Die Hoststeuervorrichtung 2 kann einen Positionsbefehl oder einen Drehzahlbefehl an die Motorsteuereinheit 18 senden. Die Hoststeuervorrichtung 2 kann eine CNC-Vorrichtung (numerische Computersteuerung) usw. enthalten. Das Implementieren einer Warnung, die an die CNC-Vorrichtung gesendet wird, erlaubt Anwendungen wie das Liefern einer Störungsmeldung auf der Anzeige der CNC-Vorrichtung, die eine Bedienperson der Werkzeugmaschine aufmerksam macht. Eine weitere Form der Anwendung kann eine vernetzte Störungsüberwachung für die Motorantriebseinrichtung durch die CNC-Vorrichtung sein.
In der in 2 dargestellten Motorantriebseinrichtung 1 wird eine Leistungshalbleiter-Vorrichtung, beispielsweise ein IGBT für die Stromwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom oder umgekehrt eingesetzt. In der Leistungshalbleiter-Vorrichtung kann die Chiptemperatur durch Verluste bei der Stromlieferung ansteigen, und die Leistungshalbleiter-Vorrichtung kann zerstört werden, falls die Chiptemperatur eine spezifizierte Temperatur überschreitet. In der Motorantriebseinrichtung 1 führt die Wärmeübertragungsanordnung 13 die Wärme ab, die die Leistungshalbleiter-Vorrichtung 11 bei der Stromwandlung erzeugt. Daher ist es beim Entwurf der Motorantriebseinrichtung 1 wichtig, wie die Wärme abgeführt wird, die die Leistungshalbleiter-Vorrichtung 11 erzeugt, und einen Temperaturanstieg der Leistungshalbleiter-Vorrichtung 11 zu verhindern.
Die folgende Erklärung beruht auf einem beispielhaften Fall, in dem die in der Leistungshalbleiter-Vorrichtung 11 erzeugte Wärme an die Luft abgegeben wird.
Die Leistungshalbleiter-Vorrichtung 11 wird in der Regel in enger Berührung mit dem Wärmeleitteil (z. B. Kühler) implementiert, der in der Wärmeübertragungsanordnung 13 enthalten ist. Um die Wärme wirksam auf den Kühler zu übertragen, wird in diesem Fall eine Metalloberfläche der Leistungshalbleiter-Vorrichtung, die als Sockel bezeichnet wird, in enger Berührung mit dem Kühler montiert. Der Sockel kann in manchen Fällen mit einem Material versehen werden, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat, beispielsweise Silikonfett, das zwischen der Metalloberfläche des Sockels und dem Kühler angeordnet wird, damit die Wärme wirksam über die Kontaktfläche übertragen werden kann.
Die Struktur des Wärmeleitteils, beispielsweise des Kühlers, der in der Wärmeübertragungsanordnung 13 enthalten ist, wird in der Regel so ausgelegt, dass seine Berührfläche mit der Luft, d. h. sein Oberfläche, groß ist, damit die Wärme wirksam an die Luft abgegeben wird. Einen wirksameren Wärmeübergang kann man durch das Bereitstellen eines Gebläsemotors 10 nahe an der Wärmeübertragungsanordnung 13 erzielen, durch den die Luftströmungsmenge durch den Kühler vergrößert wird.
Durch die wirksame Abfuhr der Wärme, die in der Leistungshalbleiter-Vorrichtung 11 erzeugt wird, kann die Leistungsfähigkeit der Leistungshalbleiter-Vorrichtung 11 voll ausgenutzt werden (hierzu gehört insbesondere die Stärke des Stroms), damit die Motorantriebseinrichtung insgesamt eine gute Leistungsfähigkeit zeigt.
Tritt eine Fehlfunktion oder Störung im Wärmeabfuhrweg auf, so ist es nicht mehr möglich, die Wärme ausreichend von der Leistungshalbleiter-Vorrichtung 11 abzuführen. Dadurch tritt ein (stärker als erwarteter) Temperaturanstieg in der Leistungshalbleiter-Vorrichtung 11 auf. Im schlechtestmöglichen Fall kann die Leistungshalbleiter-Vorrichtung 11 thermisch zerstört werden.
Zusätzlich zur beschriebenen Sorgfalt beim Entwurf der Wärmeabfuhr ist es für die Motorantriebseinrichtung wichtig, Fehlfunktionen und Störungen im Wärmeabfuhrweg in einem frühen Stadium präzise zu erfassen.
Ein Temperaturanstieg im Wärmeleitteil, das in der Wärmeübertragungsanordnung 13 enthalten ist, kann aus dem Verlust berechnet (geschätzt) werden, der in der Leistungshalbleiter-Vorrichtung 11 erzeugt wird. Insbesondere kann man den Wert des Temperaturanstiegs gegenüber der Außenluft im Wärmeleitteil, das in der Wärmeübertragungsanordnung 13 enthalten ist, durch eine Berechnung anhand des erzeugten Verlusts in der Leistungshalbleiter-Vorrichtung erhalten, der in ein Wärmeübertragungsmodell eingegeben wird, das die Wärmeabfuhr von der Wärmeübertragungsanordnung 13 an die Außenluft (oder einfach an die Luft) modelliert. Als Wärmeübertragungsmodell für die Wärmeabfuhr von der Wärmeübertragungsanordnung 13 an die Außenluft wird in der Regel ein primäres Verzögerungssystem-Modell eingesetzt, in dem die thermische Zeitkonstante der Wärmeübertragungsanordnung 13 verwendet wird.
Beispielsweise kann eine näherungsweise Berechnung des Temperaturanstiegs Tb [°C] gegen die Außenluft (Luft) des Wärmeleitteils, das in der Wärmeübertragungsanordnung 13 enthalten ist, mit Hilfe des folgenden Ausdrucks (1) durchgeführt werden: Tb = C × Q × {1 – exp(–t/τ)} (1) wobei Q [W] der erzeugte Verlust in der Leistungshalbleiter-Vorrichtung 11 ist, C [°C/W] der Wärmewiderstand der Wärmeübertragungsanordnung 13, und τ die thermische Zeitkonstante der Wärmeübertragungsanordnung 13. Die Konstanten C und τ sind Konstanten, die entsprechend den Spezifikationen der Wärmeübertragungsanordnung 13 definiert sind. Die Wärmeleitfähigkeit und die thermische Zeitkonstante der Wärmeübertragungsanordnung 13 können sich abhängig davon ändern, ob die Wärmeübertragungsanordnung 13 für sich oder zusammen mit einem Gebläsemotor 10 verwendet wird. In beiden Fällen muss man die entsprechenden Konstanten für die tatsächliche Anwendung benutzen.
Den erzeugten Verlust Q in der Leistungshalbleiter-Vorrichtung 11 kann man auch durch eine Näherungsrechnung aus dem in der Leistungshalbleiter-Vorrichtung 11 fließenden Strom gewinnen, d. h. dem Ausgabestrom der Leistungshalbleiter-Vorrichtung 11 an den Motor 4. Man kann ihn durch Multiplizieren des Ausgabestroms der Leistungshalbleiter-Vorrichtung 11 mit einer bestimmten Konstante erhalten, die durch die Eigenschaften der Leistungshalbleiter-Vorrichtung 11 festgelegt ist.
Die Näherungsrechnung kann beispielsweise auf dem folgenden Ausdruck beruhen: Q = I × D (2).
Dabei ist I [A] der Ausgabestrom der Leistungshalbleiter-Vorrichtung 11. D [W/A] ist die Konstante, die abhängig von der Leistungshalbleiter-Vorrichtung 11 gilt, und sie dient als Konstante zum Bestimmen der erzeugten Verluste abhängig vom Strom, der in der Leistungshalbleiter-Vorrichtung 11 fließt. Das Erfassen des Ausgabestroms der Leistungshalbleiter-Vorrichtung 11 erfordert keine neuen Komponenten oder Schaltungen. Normalerweise wird ein vorhandener Stromdetektor, der in der Motorstromregelung verwendet wird, als bestehendes Bauteil eingesetzt.
Der wie beschrieben berechnete (geschätzte) Temperaturanstieg des Wärmeleitteils, das in der Wärmeübertragungsanordnung 13 enthalten ist, wird mit dem tatsächlich erfassten Temperaturanstieg des Wärmeleitteils verglichen, das in der Wärmeübertragungsanordnung 13 enthalten ist. Fehlfunktionen und Störungen des Wärmeabfuhrwegs der Motorantriebseinrichtung können anhand des Vergleichsergebnisses erfasst werden. In diesem Fall erfolgt die Feststellung beispielsweise wie im Weiteren beschrieben.

A) Ist ”die geschätzte Temperaturveränderung (geschätzte Temperatur) nahezu gleich der tatsächlichen erfassten Temperaturveränderung (tatsächliche Temperatur)”, so wird festgestellt, dass in dem Wärmeabfuhrweg keine Störung vorliegt.
B) Ist die tatsächliche Temperaturveränderung, die erfasst wurde (tatsächliche Temperatur) langsam (verzögert) gegenüber der geschätzten Temperaturveränderung (geschätzten Temperatur)”, so wird festgestellt, dass in dem Wärmeabfuhrweg, der von der Leistungshalbleiter-Vorrichtung zur Wärmeübertragungsanordnung verläuft, eine Störung vorliegt.
C) Ist ”die geschätzte Temperaturveränderung (geschätzte Temperatur) langsam (verzögert) gegenüber der erfassten tatsächlichen Temperaturveränderung (tatsächlichen Temperatur)”, so wird festgestellt, dass in dem Wärmeabfuhrweg, der von der Wärmeübertragungsanordnung zur Außenluft (Luft) verläuft, eine Störung vorliegt.

Das Verfahren zum Erfassen einer Störung in der Wärmeübertragungsanordnung 13 wird im Weiteren ausführlicher beschrieben. 3 zeigt einen beispielhaften Arbeitsablauf der Motorantriebseinrichtung der ersten Ausführungsform der Erfindung. In dem Arbeitsablauf bezeichnet Tr die tatsächliche Temperatur (erfasster Wert) des Wärmeleitteils (z. B. Kühler), das in der Wärmeübertragungsanordnung 13 enthalten ist. Tb ist die geschätzte Temperatur (berechneter Wert) des Wärmeleitteils, das in der Wärmeübertragungsanordnung 13 enthalten ist, und K ist der Grenzwert für die Feststellung ob der Status normal ist oder nicht.
Zuerst stellt die Temperaturerfassungseinheit 14 im Schritt S101 fest, ob die Abtastzeit zum Erfassen der Temperatur des Wärmeleitteils, das in der Wärmeübertragungsanordnung 13 enthalten ist, gekommen ist. Wird festgestellt, dass die Abtastzeit noch nicht gekommen ist, so geht die Verarbeitung zum Schritt S101 zurück und wartet auf die Abtastzeit.
Ist die Abtastzeit gekommen, so erfasst die Temperaturerfassungseinheit 14 die tatsächliche Temperatur Tr des Wärmeleitteils, das in der Wärmeübertragungsanordnung 13 enthalten ist, im Schritt S102. Im Schritt S103 berechnet die Temperaturschätzeinheit 16 die geschätzte Temperatur Tb des Wärmeleitteils, das in der Wärmeübertragungsanordnung 13 enthalten ist, abhängig vom Ausgabestromwert für den Motor 4, den die Stromerfassungseinheit 15 an der Leistungshalbleiter-Vorrichtung 11 erfasst.
Im Schritt S104 stellt die Störungserkennungseinheit 17 die An- oder Abwesenheit einer Störung in der Wärmeübertragungsanordnung 13 abhängig von der Differenz zwischen der tatsächlichen Temperatur Tr und der geschätzten Temperatur Tb fest. Genauer gesagt wird die An- oder Abwesenheit einer Störung in der Wärmeübertragungsanordnung 13 abhängig davon festgestellt, ob der Betrag |Tr – Tb| der Differenz zwischen der tatsächlichen Temperatur Tr und der geschätzten Temperatur Tb den vorbestimmten Grenzwert K überschreitet. Ist der Betrag |Tr – Tb| kleinergleich dem vorbestimmten Grenzwert K (|Tr – Tb| ≤ K), so wird festgestellt, dass ”im Wärmeabfuhrweg keine Störung vorliegt”, und die Routine kehrt zum Schritt S101 zurück und wartet wieder auf die Abtastzeit, damit das Erfassen der tatsächlichen Temperatur und das Berechnen der geschätzten Temperatur für das Wärmeleitteil vorgenommen werden, das in der Wärmeübertragungsanordnung 13 enthalten ist.
Überschreitet der Betrag |Tr – Tb| den vorbestimmten Grenzwert K (|Tr – Tb| > K), so wird festgestellt, dass ”im Wärmeabfuhrweg eine Störung vorliegt”, und die Störungserkennungseinheit 17 gibt im Schritt S105 eine Warnung an die Motorsteuereinheit 18 aus. Die Störungserkennungseinheit 17 kann auch dafür ausgelegt sein, die Warnung an die Hoststeuervorrichtung 2 auszugeben.
Der Zusammenhang zwischen der tatsächlichen Temperatur und der geschätzten Temperatur des Wärmeleitteils, das in der Wärmeübertragungsanordnung 13 enthalten ist, wird im Weiteren genauer beschrieben. 4 zeigt die zeitlichen Schwankungen der tatsächlichen Temperatur Tr und der geschätzten Temperatur Tb des Wärmeleitteils, das in der Wärmeübertragungsanordnung 13 enthalten ist, wenn der Motor mit Strom versorgt wird. Es wird davon ausgegangen, dass der Motor 4 mit Strom versorgt wird, und dass der Motor 4 während der Periode arbeitet, die zwischen den Zeitpunkten t₀ und t₁ bestimmt ist, und dass die An- oder Abwesenheit der Störung der Wärmeübertragungsanordnung 13 zu einem gewissen Zeitpunkt t (für den t₀ < t < t₁ gilt), erfasst wird. In der in 4 dargestellten Abbildung steht die durchgezogene Linie für die geschätzte Temperatur Tb, und die gestrichelte und die strichpunktierte Linie stehen für die tatsächliche Temperatur Tr₁ bzw. die tatsächliche Temperatur Tr₂. Die gepunkteten Linien stellen die Obergrenze und die Untergrenze des Bereichs –K ≤ Tr – Tb ≤ K abhängig vom vorbestimmten Grenzwert K dar. Damit ist der Bereich zwischen den zwei gepunkteten Linien die Region, in der der Wärmeabfuhrweg, der die Wärmeübertragungsanordnung 13 enthält, im normalen Status ist (entspricht dem Fall ii)).
Die tatsächliche Temperatur Tr₂, siehe 4, erfüllt Tr₂ – Tb > K zur Zeit t (entspricht dem Fall i)). Es wird festgestellt, dass eine Störung in dem Wärmeabfuhrweg vorhanden ist, der die Wärmeübertragungsanordnung 13 enthält. Die tatsächliche Temperatur Tr₁ erfüllt Tr₁ – Tb < –K zur Zeit t (entspricht dem Fall iii)) Es wird ebenfalls festgestellt, dass eine Störung in dem Wärmeabfuhrweg vorhanden ist, der die Wärmeübertragungsanordnung 13 enthält.
Da wie beschrieben die Motorantriebseinrichtung der ersten Ausführungsform in der Lage ist, die An- oder Abwesenheit einer Störung in dem Wärmeabfuhrweg, der die Wärmeübertragungsanordnung enthält, anhand der tatsächlichen Temperatur des Wärmeleitteils zu erfassen, das in der Wärmeübertragungsanordnung enthalten ist, und die geschätzte Temperatur des Wärmeleitteils, das in der Wärmeübertragungsanordnung enthalten ist, aus dem Ausgabestrom zu berechnen, den die Leistungshalbleiter-Vorrichtung ausgibt, kann man Störungen des Wärmeabfuhrwegs, der die Wärmeübertragungsanordnung enthält, leicht erfassen.
Zweite Ausführungsform
Es folgt eine Beschreibung der Motorantriebseinrichtung einer zweiten Ausführungsform. Der Aufbau der Motorantriebseinrichtung der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich nicht von dem Aufbau der Motorantriebseinrichtung der ersten Ausführungsform.
5 zeigt ein Flussdiagramm, das die Verarbeitungsprozedur der Motorantriebseinrichtung der zweiten Ausführungsform erklärt. Die Schritte S201 bis S205 gleichen den Schritten S101 bis S105 des Flussdiagramms in 3, die bereits bei der Verarbeitungsprozedur der Motorantriebseinrichtung der ersten Ausführungsform erklärt wurden. Sie werden daher nicht erneut erklärt.
Im Schritt S206 stellt die Störungserkennungseinheit 17 fest, ob ein Wert (Tr – Tb), den man durch Subtrahieren der geschätzten Temperatur Tb von der tatsächlichen Temperatur Tr erhält, positiv oder negativ ist, und eine Komponente, in der die Störung auftritt, wird anhand des festgestellten Ergebnisses unter den Komponenten der Wärmeübertragungsanordnung 13 erkannt. Genauer gesagt wird das gestörte Teil abhängig vom Größenzusammenhang zwischen der tatsächlichen Temperatur Tr, die die Temperaturerfassungseinheit 14 ausgibt, und der geschätzten Temperatur Tb, die die Temperaturschätzeinheit 16 ausgibt, erkannt.
Ist ”die tatsächliche Temperatur minus der geschätzten Temperatur größer als null (Tr – Tb > 0)”, so wird im Schritt S207 festgestellt, ”dass eine Störung in dem Wärmeabfuhrweg vorhanden ist, der von der Wärmeübertragungsanordnung 13 zu Außenluft verläuft”. In diesem Fall wird angezeigt, dass die tatsächliche Temperatur Tr der Wärmeübertragungsanordnung 13 ungewöhnlich gegenüber der geschätzten Temperatur Tb angestiegen ist. Dies kann daher kommen, dass die Wärmeabfuhr von der Wärmeübertragungsanordnung 13 nicht ausreicht, weil die Drehzahl des Gebläsemotors abgefallen ist oder der Gebläsemotor stillsteht. Es kann auch sein, dass die Wärmeabfuhrrippen der Wärmeübertragungsanordnung 13 mit Staub zugesetzt sind, so dass ein ausreichender Wärmeübergang nicht möglich ist.
Ist ”die tatsächliche Temperatur minus der geschätzten Temperatur kleinergleich null (Tr – Tb ≤ 0)”, so wird im Schritt S208 festgestellt, dass ”eine Störung auf dem Wärmeabfuhrweg vorliegt, der sich von der Leistungshalbleiter-Vorrichtung 11 zur Wärmeübertragungsanordnung 13 erstreckt”. In diesem Fall wird angezeigt, dass die tatsächliche Temperatur Tr der Wärmeübertragungsanordnung 13 ungewöhnlich gegenüber der geschätzten Temperatur Tb abgefallen ist. Dies kann daher kommen, dass die Wärmeleitfähigkeit des Materials zu gering ist, das sich zwischen dem Metallsockelteil der Leistungshalbleiter-Vorrichtung 11 und der Oberfläche der Wärmeübertragungsanordnung 13 befindet, beispielsweise Silikonfett, d. h. dass kein Silikonfett verwendet wurde oder dass die Leistungsfähigkeit des Silikonfetts durch Alterung abgenommen hat. Eine weitere Möglichkeit ist, dass die Leistungshalbleiter-Vorrichtung 11 selbst gestört ist.
Obwohl es wie beschrieben schwierig ist, das gestörte Teil exakt festzustellen, ist es doch bis zu einem gewissen Grad möglich, den vermutlichen Ort des gestörten Teils einzugrenzen. Von der Benutzerseite aus gesehen muss der Anwender lediglich die gestörte Komponente (z. B. den Kühler) aufgrund dieses Eingrenzungsmerkmals ersetzen. Dies erlaubt eine rasche und kostengünstige Wartung.
Dritte Ausführungsform
Es folgt eine Beschreibung der Motorantriebseinrichtung einer dritten Ausführungsform. 6 zeigt eine Aufbauskizze einer Motorantriebseinrichtung einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Die Motorantriebseinrichtung 3 der dritten Ausführungsform unterscheidet sich von der Motorantriebseinrichtung 1 der ersten Ausführungsform dadurch, dass die Einrichtung 3 zudem eine Modusumschalteinheit 19 umfasst, die dafür ausgelegt ist, zwischen einem normalen Motoransteuermodus und einem Diagnosemodus umzuschalten, der dem Erkennen von Störungen der Wärmeübertragungsanordnung 13 dient.
Im normalen Motoransteuermodus erfolgt die Bearbeitung von Komponenten häufig mit Werkzeugmaschinen usw., und es ist oft der Fall, dass ein sofortiges Anhalten auch dann nicht zulässig ist, wenn eine Störung festgestellt wird. Hierfür ist zudem die Modusumschalteinheit 19 vorhanden, die eine Störungsdiagnose ermöglicht, indem der Motor in einer vorbestimmten Weise im Diagnosemodus arbeitet, beispielsweise jedes Mal beim Einschalten der Motorantriebseinrichtung oder ein Mal pro Tag. Damit kann man eine Störung sofort erkennen, eine Warnung ausgeben und Maßnahmen durchführen, beispielsweise das Ersetzen der gestörten Komponente. Im Diagnosemodus wird bevorzugt, dass der Motor 4 mit einem vorgeschriebenen Strom gespeist wird.
In der vorstehenden Beschreibung von Ausführungsformen wurden beispielhafte Fälle angegeben, in denen die in der Leistungshalbleiter-Vorrichtung erzeugte Wärme an die Luft abgeführt wird. Die Erfindung kann jedoch auch auf Anordnungen angewendet werden, in denen die Wärme auf Flüssigkeiten übertragen wird, beispielsweise Wasser oder Öl. Ferner wurden in der obigen Beschreibung Beispiele erklärt, die auf der Temperatur des Wärmeleitteils beruhen, das in der Wärmeübertragungsanordnung enthalten ist, um die An- oder Abwesenheit einer Störung in der Wärmeübertragungsanordnung festzustellen. Die Erfindung kann jedoch auch auf einen Fall angewendet werden, in dem die Temperatur von Komponenten verwendet wird, die zum Wärmeabfuhrweg gehören, jedoch nicht das Wärmeleitteil sind, beispielsweise der Kühler.
Die obige Beschreibung der Ausführungsformen enthält einen beispielhaften Fall, in dem in der Motorantriebseinrichtung ein Wechselrichter als Schaltung verwendet wird, der den Leistungshalbleiter enthält, wobei der Wechselrichter dazu dient, Gleichstrom in Wechselstrom umzuformen. Die Erfindung kann jedoch auch auf einen beispielhaften Fall angewendet werden, in dem der Wechselrichter dazu dient, Wechselstrom in Gleichstrom umzusetzen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2011-036095 A [0006]
JP 2007-312536 A [0010]

Claims

Motorantriebseinrichtung umfassend: eine Leistungshalbleiter-Vorrichtung (11), die der Stromwandlung dient; eine Antriebseinheit (12), die dafür ausgelegt ist, die Ansteuerung der Leistungshalbleiter-Vorrichtung (11) zu kontrollieren, damit ein Motor mit Strom versorgt wird; eine Wärmeübertragungsanordnung (13), die dafür ausgelegt ist, die von der Leistungshalbleiter-Vorrichtung (11) erzeugte Wärme über ein Wärmeleitteil auf ein Kühlmedium zu übertragen; eine Temperaturerfassungseinheit (14), die dafür ausgelegt ist, die tatsächliche Temperatur des Wärmeleitteils zu erfassen; eine Stromerfassungseinheit (15), die dafür ausgelegt ist, den Stromwert eines Ausgangsstroms der Leistungshalbleiter-Vorrichtung (11) für den Motor zu erfassen; eine Temperaturschätzeinheit (16), die dafür ausgelegt ist, eine geschätzte Temperatur des Wärmeleitteils aus dem Ausgangsstromwert zu berechnen; und eine Störungserkennungseinheit (17), die dafür ausgelegt ist, die An- oder Abwesenheit einer Störung in der Wärmeübertragungsanordnung (13) aus der Differenz zwischen der tatsächlichen Temperatur und der geschätzten Temperatur zu erkennen.
Motorantriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Störungserkennungseinheit (17) umfasst: eine Speichereinheit zum Speichern eines Grenzwerts, der dem Feststellen der An- oder Abwesenheit einer Störung dient, und dass die Störungserkennungseinheit (17) dafür ausgelegt ist, festzustellen, dass eine Störung in der Wärmeübertragungsanordnung (13) vorhanden ist, wenn die Differenz zwischen der tatsächlichen Temperatur und der geschätzten Temperatur den Grenzwert überschreitet.
Motorantriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Störungserkennungseinheit (17) dafür ausgelegt ist, ein Teil zu erkennen, in dem die Störung auftritt, und zwar unter den Teilen, die die Wärmeübertragungsanordnung (13) bilden, und abhängig vom Ergebnis der Feststellung ob ein Wert, den man durch Subtrahieren der geschätzten Temperatur von der tatsächlichen Temperatur erhält, positiv oder negativ ist.
Motorantriebseinrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Störungserkennungseinheit (17) dafür ausgelegt ist, eine Warnung auszugeben, wenn eine Störung erkannt wird.
Motorantriebseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Störungserkennungseinheit (17) dafür ausgelegt ist, die Warnung an eine Hoststeuervorrichtung (2) auszugeben.
Motorantriebseinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, zudem umfassend: eine Motorsteuereinheit (18), die dafür ausgelegt ist, den Betrieb des Motors zu kontrollieren und die Warnung von der Störungserkennungseinheit (17) zu empfangen, wobei die Motorsteuereinheit (18) dafür ausgelegt ist, den Betrieb des Motors einzuschränken, wenn sie die Warnung erhält.
Motorantriebseinrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, zudem umfassend eine Modusumschalteinheit, die dafür ausgelegt ist, zwischen einem normalen Motoransteuermodus und einem Diagnosemodus umzuschalten, damit die Störung der Wärmeübertragungsanordnung (13) erkannt wird.
Motorantriebseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Diagnosemodus ein vorbestimmter Strom in den Motor eingespeist wird.