DE102015002667A1

DE102015002667A1 - Numerische Steuerung mit Abschätzungseinheit für Wärmestrahlungseigenschaften

Info

Publication number: DE102015002667A1
Application number: DE102015002667.4A
Authority: DE
Inventors: c/o FANUC CORPORATION Ogawa Hajime; Junichi c/o FANUC CORPORATION Tezuka
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2014-03-03
Filing date: 2015-03-02
Publication date: 2015-09-03
Anticipated expiration: 2035-03-03
Also published as: DE102015002667B4; US20150248123A1; JP2015167436A; US10042346B2; JP5877856B2; CN104901607A; CN104901607B

Abstract

Eine numerische Steuervorrichtung 2 verwendet den Stromfluss durch Komponenten, die Temperatur und die Umgebungstemperatur zur Abschätzung der Wärmestrahlungscharakteristik der Komponenten und gewinnt eine numerische Schätzung von Änderungen der Wärmestrahlungscharakteristik zur Erkennung von Anzeichen von Regelwidrigkeiten, d. h. eine numerische Steuervorrichtung 2 in einem Motorantriebssystem 10, welches eine Motoreinheit 1 mit einem Kühlgebläsemotor 11 antreibt und mit der numerischen Steuervorrichtung 2 zum Antrieb der Motoreinheit 1 versehen ist, gewinnt die Temperatur der Komponenten der Motoreinheit 1 aus Temperaturen von Detektoren 3 und 4, der Umgebungstemperatur, der Eingangsenergie in die Komponenten und der Ausgangsenergie aus den Komponenten, schätzt die Wärmestrahlungscharakteristik der Komponenten aus den Daten der Temperaturen der Komponenten, der Umgebungstemperatur, sowie der Eingangs/Ausgangs-Energie ab, vergleicht den abgeschätzten Wert der Wärmestrahlungscharakteristik der Komponenten mit einem Normalwert, und bestimmt, dass der Kühlungsgebläsemotor 11 regelwidrig arbeitet wenn die Wärmestrahlungscharakteristik kleiner ist als der Normalwert und verhindert so Störungen aufgrund einer Überhitzung der Komponenten der Motoreinheit 1.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine numerische Steuerungsvorrichtung, die mit einer Abschätzeinheit für Wärmestrahlungseigenschaften versehen ist, insbesondere betrifft die Erfindung eine numerische Steuerungsvorrichtung in einem Motorantriebssystem, welches mit einer Kühleinrichtung versehen ist und zumindest einen Motor unter Verwendung einer solchen numerischen Steuerungsvorrichtung antreibt, wobei die numerische Steuerungsvorrichtung mit einer Abschätzeinheit für Wärmestrahlungseigenschaften ausgerüstet ist, welche Regelwidrigkeiten (Anormalitäten) in einer Kühleinrichtung einer Komponente aufdecken kann, welche einen Teil eines Motors in dem Motorantriebssystem bildet.
2. Zum Stand der Technik
Ein Werkzeugmaschinensystem hat einen Motor für jede Antriebswelle der Werkzeugmaschine und treibt diese Motoren mit einem Motorantriebssystem an. Das Motorantriebssystem ist mit einer Motoreinheit versehen und eine numerische Steuerungseinrichtung steuert die Motoreinheit. Die Motoren in der Motoreinheit werden mittels numerischer Werte durch die numerische Steuereinrichtung gesteuert. Der Betrieb der Motoren wird durch die numerische Steuereinrichtung des Motorantriebssystems überwacht. Die Motoreinheit des Motorantriebssystems ist für den Betrieb der Motoren mit einer Stromversorgung, Konvertern und Invertern versehen.
In der Motoreinheit des Motorantriebssystems mit Konverter oder Inverter zur Steuerung eines Motors kann die durch den Konverter oder Inverter erzeugte Wärme und die durch den Motor erzeugte Wärme ein Ansteigen der Temperaturen des Konverters, Inverters oder Motors zur Folge haben. Steigen die Temperatur des Konverters, Inverters oder Motors an, können diese Komponenten durch Hitze beschädigt werden und das Motorantriebssystem kann nicht mehr regelgerecht funktionieren. Aus diesem Grund sind der Konverter, der Inverter, und der Motor mit einer Kühleinrichtung versehen zur Verhinderung eines Temperaturanstiegs. Die Kühleinrichtung ist im Allgemeinen eine Luftkühlung mit Kühlrippen. In einer solchen Luftkühleinrichtung wird ein Kühlungsventilator durch einen Ventilatormotor angetrieben, um Kühlungsluft zu erzeugen, welche das Innere des Konverters, Inverters und Motors kühlt. Bei einer solchen Luftkühlungsvorrichtung ist zur vorbeugenden Instanthaltung ein Geschwindigkeitssensor am Gebläsemotor vorgesehen, um einen Geschwindigkeitsabfall im Gebläse (Ventilator) zu erkennen oder einen Zustand, in dem das Gebläse stoppt, um einen Temperaturanstieg im Konverter, Inverter und Motor zu verhindern.
In einem solchen Verfahren zum Verhindern eines Temperaturanstiegs ist ein gesonderter Geschwindigkeitssensor erforderlich zum Detektieren der Drehgeschwindigkeit des Gebläsemotors. Darüber hinaus können Temperaturanstiege im Konverter, Inverter und Motor aufgrund eines Abfalls der Kühlungseffizienz aufgrund von Faktoren, die nicht durch einen Abfall der Drehgeschwindigkeit des Gebläsemotors bedingt sind, nicht detektiert werden. In der japanischen Patentveröffentlichung 2008-54440 A wird ein Steuersystem eines Motors mit einer Überhitzungsschutzeinrichtung beschrieben zur Vermeidung einer Überhitzung des Motors. Die dort beschriebene Überhitzungsschutzeinrichtung ist in einem elektronischen Leistungssteuerungssystem vorgesehen. Es wird die Temperatur aus der Wärmeerzeugungscharakteristik und der Wärmestrahlungscharakteristik ermittelt auf Basis der Differenzen der Wärmekapazitäten verschiedener Komponenten (Motor und Steuerung) und es wird der in den Motor fließende Strom begrenzt, um den Motor und die Komponenten darum herum gegen eine Überhitzung zu schützen. Im Bereich numerischer Steuerungsvorrichtungen wird im japanischen Patent 3902710 B2 beschrieben, wie die Beschleunigungs-/Abbremsungskonstante vergrößert werden kann oder die Vorschubgeschwindigkeit abgesenkt werden kann, um vorbeugend eine Überhitzung der Motorantriebswelle der Werkzeugmaschine zu verhindern und um so die Maschine zu schützen, wenn die vom Motor erzeugte Wärmemenge einen zulässigen Betrag überschreitet.
Bei der Motorsteuervorrichtung gemäß der japanischen Patentveröffentlichung 2008-54440 A werden die Temperatur des Motors und die Temperatur der Motorsteuerung aus der Differenz zwischen der aufgrund des Motorstromes erzeugten Wärmemenge und der abgestrahlten Wärmemenge abgeschätzt, also kein Temperaturdetektor eingesetzt und es ist nicht möglich, die abgestrahlte Wärmemenge exakt zu ermitteln. Bei der numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine gemäß dem japanischen Patent 3902710 B2 wird der Betrieb der Antriebseinrichtung unterdrückt wenn die zulässige erzeugte Wärmemenge, welche ermittelt wird durch Berechnung der Temperatur der Antriebseinrichtung aus dem Strom der Antriebseinrichtung oder dem Drehmomentbefehlsdaten, überschritten wird durch die Gesamtmenge erzeugter Energie, welche sich ergibt aus den Betriebsdaten bezüglich des Stromes in die Antriebseinrichtung oder den Drehmomentbefehlsdaten. Allerdings hat die numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine gemäß dem japanischen Patent 3902710 B2 keinen Temperaturdetektor, sodass es nicht möglich ist, die Temperatur der Antriebseinrichtung (Wärmestrahlungscharakteristik) genau zu bestimmen.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einer Merkmalskombination hat die Erfindung die Bereitstellung einer numerischen Steuervorrichtung in einem Motorantriebssystem zum Gegenstand, welches mit einer numerischen Steuereinrichtung als Steuereinheit versehen ist und welches eine Motoreinheit antreibt, wobei die numerische Steuervorrichtung Regelwidrigkeiten in einer Kühleinrichtung für Komponenten ermitteln kann auf Basis von Änderungen einer Wärmestrahlungscharakteristik von Komponenten, welche aus dem Strom abgeschätzt wird, der durch die Komponenten der Motoreinheit fließt, sowie der Temperatur, und die Umgebungstemperatur.
Gemäß einer Merkmalskombination der Erfindung wird eine numerische Steuervorrichtung bereitgestellt, welche mit einem Motorantriebssystem versehen ist, das zumindest einen Motor antreibt, wobei die numerische Steuervorrichtung mit einer Temperaturgewinnungseinheit versehen ist, die eine Temperatur von Komponenten des Motorantriebssystems von einem Temperaturdetektor gewinnt, der in dem Motorantriebssystem angeordnet ist, sowie mit einer Umgebungstemperaturgewinnungseinheit, welche eine Umgebungstemperatur des Motorantriebssystems von einem Temperaturdetektor gewinnt, der an dem Motorantriebssystem angeordnet ist, einer Eingangsenergiegewinnungseinheit, die in die Komponenten eingespeiste Energie gewinnt, und einer Ausgangsenergiegewinnungseinheit, welche aus den Komponenten abgegebene Energie gewinnt, einer Wärmestrahlungscharakteristikabschätzeinheit, welche eine Wärmestrahlungscharakteristik der Komponenten aus der Temperatur derselben, der Umgebungstemperatur, der Eingangsenergie, und der abgegebenen Energie abschätzt, und einer Wärmestrahlungscharakteristikabgabeeinheit, welche gemäß der abgeschätzten Wärmestrahlungscharakteristik der Komponenten als Beurteilungssignal „regelgerecht/regelwidrig” bezüglich der Kühleinrichtung abgibt.
Gemäß einer Merkmalskombination der numerischen Steuervorrichtung der Erfindung wird ein Motorantriebssystem bereitgestellt, welches versehen ist mit einer numerischen Steuervorrichtung, die es ermöglicht, Regelwidrigkeiten einer Kühleinrichtung für Komponenten zu ermitteln und einen Leistungsabfall oder Ausfall der Komponenten zu verhindern gemäß einer Änderung der Wärmestrahlungscharakteristik der Komponenten, die abgeschätzt wird unter Berücksichtigung der Betriebsbedingung der Komponenten in einer Motoreinheit eines Motorantriebssystems.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Erfindung wird noch deutlicher durch die beigefügten Figuren und deren Beschreibung:
1 ist ein Blockdiagramm eines Motorantriebssystems mit einer numerischen Steuervorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2 zeigt ein Flussdiagramm eines Beispiels des Betriebs einer Strahlungscharakteristikabschätzeinheit der numerischen Steuervorrichtung gemäß 1.
3 zeigt eine Eingabe-/Ausgabe-Beziehung zur Erläuterung des Verfahrens zum Abschätzen der Wärmestrahlungscharakteristik in einer Wärmestrahlungscharakteristikabschätzeinheit der numerischen Steuervorrichtung gemäß 1 mit Motoren als Beispiel.
4 ist ein Blockdiagramm eines Motorantriebssystems mit einer numerischen Steuervorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
5 ist ein Flussdiagramm eines Beispiel des Betriebs einer Wärmestrahlungscharakteristikvergleichseinheit und einer Wärmestrahlungsabschätzeinheit entsprechend 4.
6 zeigt ein Beispiel einer Anzeige einer Störung eines Gebläsemotors auf einem Anzeigeschirm einer Wärmestrahlungscharakteristikanzeigeeinheit entsprechend 4.
BESCHREIBUNG IM EINZELNEN
Nachfolgend wird mit Bezug auf die Figuren eine numerische Steuervorrichtung beschrieben mit einer Wärmestrahlungscharakteristikabschätzeinheit. Es versteht sich aber, dass die Erfindung nicht eingeschränkt ist auf die Figuren und Ausführungsbeispiele gemäß der nachfolgenden Erläuterung. In den Figuren sind einander gleiche Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt den Aufbau eines Motorantriebssystem 10 mit einer numerischen Steuervorrichtung 2 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Motorantriebssystem 10 hat eine Motoreinheit 1 und eine Steuereinheit, welche die Motoreinheit 1 steuert und die gebildet wird durch die numerische Steuervorrichtung 2. Beim ersten Ausführungsbeispiel nach 1 sind zwei Motoren M1 und M2 in der Motoreinheit gezeigt. Die Motoren M1 und M2 sind beispielsweise Servomotoren oder Spindelmotoren.
Die Motoreinheit 1 hat eine Eingangsstromquelle 12, die an eine drei-phasige Wechselstromquelle angeschlossen ist. Ein drei-phasiger Wechselstrom wird in einen Konverter 13 eingegeben, der mit der Eingangsstromquelle 12 verbunden ist, um eine Konversion des Gleichstromes zu bewirken. Der Ausgang des Konverters 13 wird in die Inverter 14 und 15 eingegeben, welche die zwei Motoren M1 und M2 antreiben und welche die erforderlichen Wechselströme zur Steuerung des Antriebs der zwei Motoren M1 und M2 erzeugen.
Die Komponenten der Motoreinheit (Motoren M1 und M2, Inverter 14 und 15 und der Konverter 13) erzeugen durch ihren jeweiligen Betrieb Wärme, wodurch ihre interne Temperatur ansteigt. Steigt die interne Temperatur einer Komponente zu stark an, kann sie beschädigt werden oder ausfallen, sodass das Innere der Komponenten zu kühlen ist durch z. B. Kühleinrichtungen mit Luft oder Flüssigkeit zur Verhinderung eines zu starken Anstieges der Temperaturen. Die Magnetisierung in derartigen Motoren kann schnell abfallen wenn eine vorgegebene Grenztemperatur überschritten wird oder eine Dauerbeanspruchung mit zu hoher Temperatur vorliegt.
Insbesondere erzeugt ein Motor mit einer relativ kleinen Oberfläche zur Wärmeabgabe, einem großen Windungswiderstand, und einem relativ großem Stromfluss eine große Wärmemenge, sodass eine gewöhnliche Luftkühlung nicht ausreicht und eine Zwangskühlung mit Luft über ein Gebläse oder eine Flüssigkeitskühlung für eine aktive Wärmeentfernung erforderlich ist. Das gilt auch für den Inverter oder den Konverter. Die Schaltkreiselemente des Inverters und Konverters erzeugen bei Stromfluss Hitze, sodass sie gegebenenfalls eine aktive Abfuhr von Wärme durch Luftkühlung oder Flüssigkeitskühlung entsprechend den erzeugten Wärmemengen erfordern.
Luftkühleinrichtungen können Gebläse aufweisen oder nicht, je nach den Wärmeerzeugungsbedingungen der Komponenten. Beim in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein Kühlungsgebläsemotor 11 für die Luftkühlung vorgesehen. Der Kühlungsgebläsemotor 11 wird mit Strom aus der Eingangssstromquelle 12 angetrieben. Bei einer Flüssigkeitskühlung – nicht in der Figur dargestellt – wird Wasser oder Öl eingesetzt. Dies kann die Komponente direkt kühlen und ist deshalb im Vergleich zu einer Luftkühlung hinsichtlich der Kühlung wirksamer, jedoch ist die Installation auch aufwendiger und teurer. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist zum Zweck der vorbeugenden Instanthaltung (Schutz gegen eine Überhitzung) eine numerische Steuerungsvorrichtung vorgesehen, die im Voraus mögliche Störungen aufgrund einer Überhitzung von Komponenten der Motoreinheit 1 (Motoren, Inverter, Konverter) vermeidet. Handelt es sich bei der Kühleinrichtung für die Komponenten um eine Luftkühlung, wird ein Abfall in der Wärmestrahlungscharakteristik aufgrund eines Abfalls in der Geschwindigkeit des Gebläses des Kühlgebläsemotors verhindert während bei einer Flüssigkeitskühlung ein Abfall in der Wärmestrahlungscharakteristik aufgrund einer Verringerung der Zirkulation des Kühlungsmediums verhindert ist. Die Wärmestrahlungscharakteristik wird im Voraus in Form eines numerischen Wertes erfasst und Störungen der Komponente aufgrund einer Überhitzung werden so vermieden.
Als Beispiel für einen Abfall der Geschwindigkeit des Gebläses im Kühlgebläsemotor 11 in der Motoreinheit 1 des Ausführungsbeispieles nach 1 wird die Ermittlung des Abfalls der Wärmestrahlungscharakteristik der Kühleinrichtung im Voraus zur Vermeidung von Störungen durch eine Überhitzung der Motoreinheit 1 erläutert. Beim Ausführungsbeispiel nach 1 ist die die Motoreinheit 1 steuernde numerische Steuervorrichtung 2 versehen mit einer Temperaturgewinnungseinheit 28, einer Umgebungstemperaturgewinnungseinheit 22, einer Eingangsenergiegewinnungseinheit 23, einer Ausgangsenergiegewinnungseinheit 24, einer Wärmestrahlungscharakteristikabschätzeinheit 25, und mit einer Wärmestrahlungscharakteristikabgabeeinheit 26. Weiterhin ist das Motorantriebssystem 10 mit einem Temperaturdetektor 3 versehen, welcher die Temperatur der jeweiligen Komponenten detektiert, und einem Temperaturdetektor 4, welcher die Umgebungstemperatur der Motoreinheit 1 detektiert.
Mit Bezug auf 2 und 1 werden die Abläufe in der Temperaturgewinnungseinheit 21, der Umgebungstemperaturgewinnungseinheit 22, der Eingangsenergiegewinnungseinheit 23, der Ausgangsenergiegewinnungseinheit 24, der Wärmestrahlungscharakteristikschätzeinheit 25, und der Wärmestrahlungscharakteristikabgabeeinheit 26 in der Reihenfolge der Schritte erläutert. Die Temperaturgewinnungseinheit 21 gewinnt die Temperatur der Komponenten der Motoreinheit 1 (Motoren M1 und M2, Inverter 14 und 15, Konverter 13) mittels des Temperaturdetektors 3, der an dem Motorantriebssystem 10 angeordnet ist (Schritt 201). Die Umgebungstemperaturgewinnungseinheit 22 gewinnt die Umgebungstemperatur der Motoreinheit 1 mit dem Temperaturdetektor 4, der nahe dem Motorantriebssystem 10 angeordnet ist (Schritt 202).
Die Eingangsenergiegewinnungseinheit 23 gewinnt die in die oben genannten Komponenten eingegebene Energie (Schritt 203). Die in den Konverter eingegebene Energie ist die von der Eingangsstromquelle 12 in den Konverter 13 eingegebene Energie. Deshalb wird mit der Eingangsenergiegewinnungseinheit der Ausgang der Stromversorgungsquelle 13 auf den drei Leitungen abgegriffen. Bei der in die Inverter 14 und 15 eingegebenen Energie handelt es sich um die von dem Konverter 13 in die Inverter 14 bzw. 15 eingegebene Energie. Deshalb wird mit der Eingangsenergiegewinnungseinheit 23 der Ausgang des Konverters 13 von nicht gezeigten Übertragungsleitungen abgegriffen, die vor den Invertern 14 und 15 oder darin angeordnet sind. Bei der in die Motoren M1 und M2 eingegebenen Energie handelt es sich um die von den Invertern 14 und 15 in die Motoren M1 bzw. M2 eingegebene Energie. Deshalb wird mit der Eingangsenergiegewinnungseinheit 23 der Ausgang der Inverter 14 bzw. 15 an nicht gezeigten Leitungen abgegriffen, die vor den Motoren M1 bzw. M2 angeordnet sind.
Die Ausgangsenergiegewinnungseinheit 24 gewinnt die von den Komponenten abgegebene Energie (Schritt 204). Die vom Konverter 13 abgegebene Energie ist, unter Vernachlässigung des Wärmeverlustes des Konverters 13, diejenige Energie, die in die Inverter 13 bzw. 15 eingegeben wird, sodass die Ausgangsenergiegewinnungseinheit 24 als Eingang den elektrischen Leistungswert erhält, der in die Inverter 14 bzw. 15 eingegeben wird. Die von den Invertern 14 und 15 abgegebene Energie ist, wenn die Wärmeverluste in den Invertern 14 und 15 vernachlässigt werden, diejenige Energie, welche in die Motoren M1 und M2 eingegeben wird. Die Ausgangsenergiegewinnungseinheit 24 empfängt als Eingang den elektrischen Leistungswert entsprechend der Eingabe in die Motoren M1 und M2.
Die Wärmestrahlungscharakteristikabschätzeinheit 25 schätzt die Wärmestrahlungscharakteristik der Komponenten aus den Temperaturen der Komponenten, der Umgebungstemperatur, der Eingangsenergie, und der Ausgangsenergie, welche jeweils eingegeben werden von der Temperaturgewinnungseinheit 21, der Umgebungstemperaturgewinnungseinheit 42, der Eingangsenergiegewinnungseinheit 23, und der Ausgangsenergiegewinnungseinheit 24 (Schritt 205). Die Wärmestrahlungscharakteristik der Komponenten gemäß Schätzung durch die Wärmestrahlungscharakteristikabschätzeinheit 25 wird durch die Wärmestrahlungscharakteristikausgabeeinheit 26 als ein Signal abgegeben entsprechend einer Einschätzung „regelgerecht”/”regelwidrig” bezüglich der Kühleinrichtung.
Nunmehr wird das Verfahren näher beschrieben, mit dem die Wärmestrahlungscharakteristikabschätzeinheit 25 gemäß 1 die Wärmestrahlungscharakteristik (den Wärmestrahlungskoeffizienten K) abschätzt, und zwar mit Bezug auf einen Motor M als Beispiel. Gemäß 3 sei die Eingangsenergie, welche in einen Motor M eingegeben wird, die Energie Ein(t), die Ausgangsenergie (Rotationsenergie), die vom Motor M abgegeben wird, habe den Wert Eout(t).
Dann ergibt sich der Energieverlust E_loss(t) im Inneren des Motors M in Abhängigkeit von der Zeit gemäß Gleichung 1. E_loss(t) = E_m(t) – E_out(t) (Gleichung 1)
Die Eingangsenergie Ein(t), die in den Motor M eingegeben wird, wird gemäß Gleichung 2 berechnet aus dem Produkt der Eingangsspannung Vin(t), welche an den Motor M angelegt wird, und dem Eingangsstrom Iin(t), welcher in den Motor M eingespeist wird. Die Ausgangsenergie Eout(t) welche vom Motor M abgegeben wird, wird entsprechend Gleichung 3 ausgedrückt durch die Rotationsenergie bzw. Arbeit pro Zeiteinheit. Im Falle eines Konverters, Inverters etc. wird sie gemäß Gleichung 3', ausgedrückt als Produkt aus der Ausgangsspannung Vout(t) und dem Ausgangsstrom Iout(t). In Gleichung 3 ist 3 das Trägheitsmoment, ω(t) ist die Winkelgeschwindigkeit, und Trq(t) ist das Drehmoment. E_in(t) = I_in(t)·V_in(t) (Gleichung 2) E_out = Jω(t) dω(t) / dt = Trq(t)·ω(t) (Gleichung 3) E_out(t) = I_out(t)·V_out(t) (Gleichung 3') (J: Trägheitsmoment, ω(t): Winkelgeschwindigkeit, Trq(t): Drehmoment)
Ein Teil der Verlustenergie Eloss(t) wird entsprechend der Differenz zwischen der Motortemperatur TM(t) und der Umgebungstemperatur TO(t) nach außen abgegeben. Die verbleibende Energie bleibt als Wärmeenergie im Inneren des Motors M.
Die Menge an abgestrahlter Wärme Er(t), welche nach außen abgegeben wird, wird durch Gleichung 4 angegeben und im Allgemeinen berechnet durch Multiplikation des Wärmestrahlungskoeffizienten K mit der Differenz zwischen der Motortemperatur TM(t) und der Umgebungstemperatur TO(t). E_t(t) = K(T_M(t) – T₀(t)) Gleichung 4
Damit kann die Wärmeenergie Eh1(t) im Inneren des Motors M gemäß 5 berechnet werden durch Subtraktion der Menge an abgestrahlter Wärme (Er(t) von der Verlustenergie Eloss(t)). E_h1(t)E_loss(t) – E_r(t) Gleichung 5
Der kumulative Wert der Wärmeenergie Eh2(t) im Inneren des Motors M bei Fortschreiten der Zeit von t0 bis t kann berechnet werden durch Multiplikation der Wärmekapazität CM mit der Differenz (Tm(t) – TM(t0)) bezüglich der Temperatur des Motors M, vgl. Gleichung 6.
Durch Differenzierung der Gleichung 6 ist es entsprechend Gleichung 7 möglich, die Wärmeenergie Eh2(t) im Inneren des Motors M pro Zeiteinheit zu berechnen.
Die Wärmeenergie Eh1(t) wird berechnet aus der Eingabe-/Ausgabe-Beziehung der Energie im Inneren des Motors M, während die Wärmeenergie Eh2(t) berechnet wird aus dem Temperaturpotenzial im Inneren des Motors M. Deshalb kann davon ausgegangen werden, dass die Wärmeenergien Eh1(t) und Eh2(t) im Wesentlichen gleich sind, sodass sich die Gleichung 8 ergibt.
Aus E_h1(t) = E_h2(t), E_h1(t) = E_loss(t) – E_r(t), (Gleichung 1), (Gleichung 4)
Deshalb kann die Wärmestrahlungscharakteristik (Wärmestrahlungskoeffizient K) berechnet werden durch Auflösung der Gleichung 8 nach dem Wärmestrahlungskoeffizienten K, vgl. Gleichung 9.
Deshalb nutzt die Erfindung die Eingangsenergie Ein (Δt·n) pro Zeiteinheit Δt, welche gewonnen wird mit der Eingangsenergiegewinnungseinheit 23, die Ausgangsenergie Eout (Δt·n) pro Zeiteinheit Δt, welche gewonnen wird mit der Ausgangsenergiegewinnungseinheit 24, die Motortemperatur EM(t), welche gewonnen wird mit der Temperaturgewinnungseinheit 21, und die Umgebungstemperatur T0(t), die durch die Umgebungstemperaturgewinnungseinheit 22 gewonnen wird, als Basis für die Berechnung des Wärmestrahlungskoeffizienten K der Komponenten, die überwacht werden.
Der Wärmestrahlungskoeffizient K zeigt die Abkühlungskapazität der Komponenten einschließlich der Kühlungseinrichtung, also zum Beispiel des Gebläsekühlungsmotors 11. Bei einer Störung im Kühlgebläsemotor 11 fällt die Kühlkapazität ab und der Wert des Wärmestrahlungskoeffizienten K wird kleiner. Arbeitet der Kühlgebläsemotor 11 hingegen regelgerecht, bleibt der Wert des Wärmestrahlungskoeffizienten K im Wesentlichen konstant, sodass dies ein effektiver Indikator ist bezüglich der Wärmestrahlungscharakteristik der Komponenten.
Beim vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der Wärmestrahlungskoeffizient K nach jeder Zeiteinheit Δt berechnet, jedoch ist es auch möglich, den Wärmestrahlungskoeffizienten nach etwas längeren Zeiteinheiten (Zeitintervallen) zu berechnen und den Mittelwert Kavg der Wärmestrahlungskoeffizienten K zu bilden, welche berechnet werden pro Zeiteinheit (Δt), um so die Kühlungskapazität für die Komponenten zu überwachen.
Nunmehr wird die Berechnung der Verlustenergie unter Verwendung des Widerstandswertes näher erläutert. Die Energie Ein, welche in den Motor M pro Zeiteinheit Δt eingespeist wird, kann durch Multiplikation der Eingangsspannung V und des Eingangsstromes I berechnet werden. Ein Teil von Ein wird in Rotationsenergie (Ausgangsenergie) Eout des Motors umgewandelt, während die verbleibende Energie im Inneren des Motors M als Verlustbetrag Eloss verbraucht wird. Der Verlustbetrag Eloss besteht hauptsächlich aus dem Verbrauch pro Zeiteinheit durch den Windungswiderstand R des Motors M. Er wird durch Gleichung 10 ausgedrückt und als Wärmeenergie verbraucht. Deshalb kann die durch den Windungswiderstand R verbrauchte Energie verwendet werden zur Berechnung des Wärmestrahlungskoeffizientens K bezüglich der Verlustenergie Eloss.
Fließt Strom durch den Motor M und wird somit elektrische Energie E1 eingespeist, kann die Verlustenergie Eloss ausgedrückt werden als Funktion Eloss(I(t)) des Stromes I. Besteht zwischen dem Quadrat des Stromes und der Wärmeerzeugung eine proportionale Beziehung, ist es auch möglich, gemäß Gleichung 11 den Strom I(t)² mit dem Wärmeerzeugungskoeffizienten H für jede Komponente zu multiplizieren, um so die Verlustenergie Eloss(I(t)) zu berechnen. E_loss = R × I(t)² Gleichung 10 E_loss = H × I(t)² Gleichung 11
Nunmehr wird ein mit einer numerischen Steuervorrichtung 2A nach der Erfindung versehenes Motorantriebssystem 20 näher erläutert, welches einen Alarm abgibt wenn die Wärmestrahlungscharacteristik einer Komponente in der Motoreinheit 1 versagt. 4 zeigt ein Motorantriebssystem 20 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Aufbau der Motoreinheit 1 entspricht dem der Motoreinheit 1 des Motorantriebssystem 10 beim ersten Ausführungsbeispiel entsprechend der Erläuterung zu 1. Die numerische Steuervorrichtung 2A des zweiten Ausführungsbeispieles, entsprechend der numerischen Steuervorrichtung 2 des ersten Ausführungsbeispieles, ist versehen mit einer Temperaturgewinnungseinheit 21, einer Umgebungstemperaturgewinnungseinheit 22, einer Eingangsenergiegewinnungseinheit 23, einer Ausgangsenergiegewinnungseinheit 24, einer Wärmestrahlungscharakteristikabschätzeinheit 25, und einer Wärmestrahlungscharakteristikabgabeeinheit 26. Dieser Aufbau und der Betrieb ist ähnlich wie beim ersten Ausführungsbeispiel, sodass eine wiederholte Beschreibung der Komponenten mit entsprechenden Bezugszeichen und Erläuterungen weggelassen werden kann.
Die numerische Steuervorrichtung 2A des zweiten Ausführungsbeispieles ist, zusätzlich zur Wärmestrahlungscharakteristikabgabeeinheit 26 gemäß der numerischen Steuervorrichtung 2 nach dem ersten Ausführungsbeispiel, mit einem Normalwertspeicher 31, einer Wärmestrahlungscharakteristikvergleichseinheit 32, einer Wärmestrahlungsbeurteilungseinheit 33, und einer Wärmestrahlungscharakteristikanzeigeinheit 34 versehen. Der Normalwertspeicher 31 speichert die Wärmestrahlungscharakteristik Kn der Komponenten wenn die Kühleinrichtung bezüglich der Komponenten der Motoreinheit 1 entsprechend der Umgebungstemperatur der Motoreinheit 1 normal arbeitet. Der Normalwertspeicher 31 kann auch einen vorgegebenen oberen Grenzwert Km der Wärmestrahlungscharakteristik K entsprechend der Umgebungstemperatur der Motoreinheit 1 anstelle des Normalwertes Kn der Wärmestrahlungscharakteristik der Komponenten bei Normalbetrieb der Kühleinrichtung speichern. Die Wärmestrahlungscharakteristikvergleichseinheit 32 ist mit der Wärmestrahlungscharakteristikabgabeeinheit 25 und dem Normalwertspeicher 31 verbunden. Der Ausgang der Wärmestrahlungscharakteristikvergleichseinheit 32 wird eingegeben in die Wärmestrahlungsbeurteilungseinheit 33.
5 ist ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Beispiels des Betriebs der Wärmestrahlungscharakteristikvergleichseinheit 32 und der Wärmestrahlungsbeurteilungseinheit 33 entsprechend 4. Die Wärmestrahlungscharakteristikvergleichseinheit 32 empfängt als Eingang die Wärmestrahlungscharakteristik K (Schätzwert) von der Wärmestrahlungscharakteristikabgabeeinheit 26 und die Daten bezüglich der Umgebungstemperatur zur Zeit der Abschätzung und empfängt als Eingang den Normalwert Kn der Wärmestrahlungscharakteristik entsprechend den Daten der Umgebungstemperatur von dem Normalwertspeicher 31. Die Wärmestrahlungscharakteritikvergleichseinheit 32 vergleicht die Wärmestrahlungscharakteristik K von der Wärmestrahlungscharakteristikabgabeeinheit 26 und den Normalwert Kn der Wärmestrahlungscharakteristik vom Normalwertspeicher 31 und gibt das Vergleichsergebnis an die Wärmestrahlungsbeurteilungseinheit 33 (Schritt 501).
Die Wärmestrahlungsbeurteilungseinheit 33 beendet das Verfahren ohne eine weitere Maßnahme wenn die von der Wärmestrahlungscharakteristikabgabeeinheit 26 abgegebene Wärmestrahlungscharakteristik K gleich ist oder größer als der Normalwert Kn der Wärmestrahlungscharakteristik von dem Normalwertspeicher 31 (Schritt 502). Andererseits kommt die Wärmestrahlungsbeurteilungseinheit 33 zu dem Ergebnis, dass der Kühlungsgebläsemotor 11 anormal arbeitet und erzeugt einen Alarm wenn die Wärmestrahlungscharakteristik K von der Wärmestrahlungscharakteristikabgabeeinheit 26 kleiner ist als der Normalwert Kn der Wärmestrahlungscharakteristik von dem Normalwertspeicher 31 (JA) (Schritt 503). Wenn in Schritt 502 K < Kn, versagt die Kühlungswirkung des Kühlungsgebläsemotors. Handelt es sich bei den im Normalwertspeicher 31 gespeicherten Daten um den oberen Grenzwert Km und ergibt sich in Schritt 502 „K < Km”, erzeugt die Wärmestrahlungsbeurteilungseinheit 33 in Schritt 503 einen Alarm.
Weiterhin ist die numerische Steuervorrichtung 2A beim zweiten Ausführungsbeispiel mit einer Wärmestrahlungscharakteristikanzeigeeinheit 34 versehen, welche einen Anzeigeschirm hat, sodass die Wärmestrahlungscharakteristik K angezeigt werden kann, welche von der Wärmestrahlungscharakteristikabgabeeinheit 26 ausgegeben wird. 6 zeigt ein Beispiel des Verlaufs der Wärmestrahlungscharakteristik (Wärmestrahlungskoeffizient) K, wie er mit der Wärmestrahlungscharakteristikanzeigeeinheit 34 anzeigbar ist. Durch Bereitstellung der Wärmestrahlungscharakteristiknanzeigeeinheit 34, ist es möglich, den Verlauf der Wärmestrahlungscharakteristik zu überwachen.
Durch Überwachung der Wärmestrahlungscharakteristik (Wärmestrahlungskoeffizient) K, ist es möglich, im Voraus einen Abfall der abgestrahlten Wärme Er(t) vorherzusagen (einen Abfall in der Kühlungseffizienz) aufgrund von Störungen im Kühlungsgebläsemotor 11 etc. Deshalb ist es möglich, im Voraus einen zu starken Temperaturanstieg der Komponenten aufgrund von Störungen im Kühlungsgebläsemotor 11 zu verhindern. Beim Beispiel einer Bildschirmanzeige gemäß 6 ergibt sich aus der jeden Monat berechneten Charakteristik des Wärmestrahlungskoeffizienten K, dass der bis zum Juli 213 normal funktionierenden Kühlungsgebläsemotor 11 im August versagt hat. Weiterhin kann daraus abgeleitet werden, dass eine Reparatur im Oktober erfolgte und die Kühlungsfähigkeit des Kühlungsgebläsemotors 11 wieder normal war. Durch eine solche Überwachung der Wärmestrahlungscharakteristik K nach jeder vorgegebenen Zeitspanne ist es möglich, Störungen am Kühlgebläsemotor 11 in einem frühen Stadium zu erkennen und Probleme aufgrund einer Überhitzung einer Komponente der Motoreinheit 1 zu vermeiden, sodass keine größeren Beschädigungen auftreten.
Oben wurde die Erfindung erläutert mit Bezug auf eine Situation, in der die Kühleinrichtung bezüglich der Komponenten in der Motoreinheit des Motorantriebssystems eine Luftkühlung ist mit einem Kühlgebläsemotor, jedoch kann es sich bei Kühlungseinrichtungen auch eine Flüssigkeitskühlung handeln, mit der es in entsprechender Weise möglich ist, einen Abfall in der Wärmestrahlungscharakteristik aufgrund zum Beispiel einer Verlangsamung der Zirkulation des Kühlungsmediums abzuschätzen und so Störungen aufgrund einer Überhitzung von Komponenten in der Motoreinheit des Motorantriebssystems zu vermeiden.
Oben wurde die Erfindung mit Blick auf bevorzugte Ausführungsbeispiele erläutert, jedoch versteht die Fachperson, dass verschiedene Abwandlungen und Änderungen möglich sind ohne den Bereich der nachfolgenden Ansprüche zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2008-54440 A [0004, 0005]
JP 3902710 B2 [0004, 0005, 0005]

Claims

Numerische Steuervorrichtung (2) eines Motorantriebssystems (10), das eine Kühleinrichtung (11) aufweist und zumindest einen Motor (M1, M2) antreibt, folgendes aufweisend: eine Temperaturgewinnungseinheit (21), die eine Temperatur von Komponenten (13, 14, 15, M1, und M2) in einer Motoreinheit (1) des Motorantriebssystems (10) von einem Temperaturdetektor (3) gewinnt, der im Motorantriebssystem (10) angeordnet ist, eine Umgebungstemperaturgewinnungseinheit (22), welche eine Umgebungstemperatur der Motoreinheit (1) des Motorantriebssystems (10) von einem Temperaturdetektor (4) gewinnt, der bei dem Motorantriebssystem (10) angeordnet ist, eine Eingangsenergiegewinnungseinheit (23), welche eine Eingangsenergie in die Komponenten (13, 14, 15, M1, und M2) gewinnt, eine Ausgangsenergiegewinnungseinheit (24), welche eine Ausgangsenergie aus den Komponenten (13, 14, 15, M1, und M2) gewinnt, eine Wärmestrahlungscharakteristikabschätzungseinheit (25), welche eine Wärmestrahlungscharakteristik der Komponenten (13, 14, 15, M1, und M2) aus der Temperatur der Komponenten (13, 14, 15, M1, und M2), der Umgebungstemperatur, der Eingangsenergie, und der Ausgangsenergie abschätzt, und eine Wärmestrahlungscharakteristikabgabeeinheit (26), welche die abgeschätzte Wärmestrahlungscharakteristik der Komponenten als ein Beurteilungssignal „regelgerecht/regelwidrig” bezüglich der Kühlungseinrichtung (11) abgibt.
Numerische Steuervorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Wärmestrahlungscharakteristikabschätzeinheit (25) eine Subtraktion durchführt bezüglich der Heizenergie der Komponenten, welche berechnet wird aus der Temperatur der Komponenten und der Wärmekapazität, und der Verlustenergie der Komponenten, welche berechnet wird durch Subtraktion der genannten Ausgangsenergie von der genannten Eingangsenergie, um so die von den Komponenten abgestrahlte Wärmemenge zu berechnen, und welche die genannte abgestrahlte Wärmemenge dividiert durch eine Temperaturdifferenz der Temperatur der Komponenten und der Umgebungstemperatur, um so die Wärmeabstrahlungscharakteristik der Komponenten zu berechnen.
Numerische Steuervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, weiterhin aufweisend: einen Normalwertspeicher (31), welcher einen Normalwert der Wärmestrahlungscharakteristik der Komponenten abspeichert, eine Wärmestrahlungscharakteristikvergleichseinheit (22), welche den genannten abgeschätzten Wert der Wärmestrahlungscharakteristik der Komponenten, wie von der Wärmestrahlungscharakteristikabgabeeinheit abgegeben, mit dem im Normalwertspeicher abgespeicherten Normalwert vergleicht, und eine Wärmestrahlungsbeurteilungseinheit (33), welche einen regelwidrigen Zustand der Kühlungseinrichtung feststellt und einen Alarm abgibt wenn der genannte geschätzte Wert kleiner ist als der genannte Normalwert.
Numerische Steuervorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei der genannte geschätzte Wert der Wärmestrahlungscharakteristik der Komponenten, wie von der Wärmestrahlungscharakteristikabgabeeinheit (26) abgegeben, Daten bezüglich der Umgebungstemperatur zur Zeit der Abschätzung beinhaltet, der genannte Normalwertspeicher (31) den genannten Normalwert speichert, der mit der Umgebungstemperatur der Komponenten verknüpft ist, und wobei die genannte Wärmestrahlungscharakteristikvergleichseinheit (32) den abgeschätzten Wert der Wärmestrahlungscharakteristik der Komponenten, wie von der Wärmestrahlungscharakteristikabgabeeinheit (26) abgegeben, mit dem Normalwert bei der entsprechenden Umgebungstemperatur vergleicht.
Numerische Steuervorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei der genannte Normalwertspeicher (31) einen oberen Grenzwert der Wärmestrahlungscharakteristik der Komponenten anstelle eines Normalwertes der Wärmestrahlungscharakteristik der Komponenten abspeichert.
Numerische Steuervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, weiterhin aufweisend eine Wärmestrahlungscharakteristikanzeigeeinheit (34), welche mit der genannten Wärmestrahlungscharakteristikabgabeeinheit (26) verbunden ist und die genannte Wärmestrahlungscharakteristik der Komponenten anzeigt.
Numerische Steuervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die genannte Kühlungseinrichtung (11) eine Luftkühlung ist und mit einem Kühlungsgebläsemotor versehen ist, welcher Kühlluft erzeugt.