DE102015214259A1

DE102015214259A1 - Verfahren zur Bestimmung der Temperatur des Rotors eines Elektromotors

Info

Publication number: DE102015214259A1
Application number: DE102015214259.0A
Authority: DE
Inventors: Tobias Harth; Jochen Matern
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2015-07-28
Filing date: 2015-07-28
Publication date: 2017-02-02
Also published as: WO2017017211A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Temperatur (TRotor) des Rotors (5) eines Elektromotors. Gemäß diesem Verfahren erfolgt die Bestimmung Temperatur (TRotor) des Rotors (5) durch Auswertung der vom Rotor in wenigstens einer Stator-Spule des Stators des Elektromotors erzeugten elektromotorischen BEMF-Spannung (UBEMF).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Temperatur des Rotors eines Elektromotors sowie einen solchen Elektromotor, insbesondere für eine Pumpvorrichtung, mit einer Steuerungs-/Auswertungseinrichtung, die zur Durchführung dieses Verfahrens eingerichtet/programmiert ist.
Moderne Dreiphasen-Elektromotoren kommen in Kraftfahrzeugen beispielsweise in Kraftstoffpumpen zum Einsatz. Bei einem solchen Dreiphasen-Elektromotor handelt es sich um einen elektrischen Antrieb, welcher mit Wechselstrom betrieben wird. Ein solcher elektrischer Wechselstrom kann mittels Pulsweiten-Modulation (PWM) aus einem elektrischen Gleichstrom erzeugt werden.
Der Elektromotor weist einen Stator mit drei Stator-Spulen und einen relativ zu diesem drehverstellbaren Rotor auf. Durch ein mit der Drehbewegung des Rotors synchronisiertes Umpolen der Stator-Spulen und ein dadurch bedingtes Umpolen des von den Stator-Spulen erzeugten Magnetfelds wird über die Wechselwirkung des Rotor-Magnetfelds mit dem Stator-Magnetfeld ein Drehmoment erzeugt, welches die gewünschte Drehbewegung des Rotors relativ zum Stator bewirkt. Der Rotor folgt dabei synchron dem magnetischen Feld.
Von erheblicher Bedeutung für einen störungsfreien Betrieb des Elektromotors in einem Kraftfahrzeug ist die Überwachung der Temperatur des Rotors als drehbeweglichem Teil des Elektromotors.
Aus herkömmlichen Elektromotoren ist es vor diesem Hintergrund bekannt, an geeigneten Stellen im Elektromotor Temperatursensoren zu verbauen, welche eine fortlaufende Messung der Temperatur des Elektromotors durch Auswertung der vom Temperatursensor gestatten. Die Bereitstellung solcher Sensoren im Elektromotor ist jedoch in der Regel mit einem erheblichen Verdrahtungsaufwand verbunden, insbesondere wenn ein oder mehrere Temperatursensoren direkt am drehverstellbaren Rotor angeordnet werden sollen.
Vor diesem Hintergrund offenbar die DE 10 2009 025 390 A1 ein Regelungsverfahren für einen Elektromotor. Im Zuge dieses Verfahrens wird die Temperatur eines mit dem Rotor verbundenen Kurzschlusskäfigs mit Hilfe eines thermischen Modells bestimmt.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Bestimmung der Temperatur des Rotors eines Elektromotors zu schaffen, welches auf die Verwendung dezidierter Temperatursensoren zur Temperaturmessung verzichtet.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Grundgedanke der Erfindung ist demnach, die Temperatur des Rotors eines Elektromotors nicht direkt mit Hilfe von Temperatursensoren zu ermitteln, sondern stattdessen zum Zwecke einer indirekten Temperatur-Bestimmung die sogenannte elektromotorische Rückstellkraft (”Back Electromotive Force”, BEMF), dem einschlägigen Fachmann auch unter der Bezeichnung ”Gegen-Elektromotorische-Kraft (Gegen-EMK)” bekannt, heranzuziehen.
Bei der elektromotorischen Rückstellkraft handelt es sich um keine Kraft im physikalischen Sinne, sondern vielmehr um diejenige elektrische Spannung, die in den Stator-Spulen als Folge einer Änderung des die Stator-Spulen durchsetzenden Rotor-Magnetfelds – hervorgerufen durch eine Drehbewegung des Rotors relativ zum Stator – induziert wird. Diese elektrische Spannung wird im Folgenden als „elektrische BEMF-Spannung” oder – gleichbedeutend – als „elektromotorische BEMF-Spannung” bezeichnet.
Betrachtet man die in den Stator-Spulen des Stators induzierte elektrische BEMF-Spannung, so ergibt sich aufgrund der Rotationsbewegung des Rotors und dem von ihm erzeugten rotierenden magnetischen Feld eine zeitlich oszillierende BEMF-Spannung, deren Periode der Rotations-Periode des Rotors entspricht. Der zeitliche Amplitude der BEMF-Spannung U_BEMF hängt dabei neben verschiedenen Parametern wie etwa der Anzahl N der Windungen der Stator-Spule, deren Induktivität L, dem Radius r_rot des Rotors, der auf die Stator-Spule wirkende magnetischen Flussdichte B, und der Winkelgeschwindigkeit ω des Rotors auch von der Temperatur des Rotors ab.
Zwischen dem positiven Maximalwert U_Max und dem negativen Minimalwert U_Min der sinusartig oszillierenden BEMF-Spannung U_BEMF(t) weist diese in einem Bereich um den Nullwert eine lineare Zeitabhängigkeit auf. Es hat sich gezeigt, dass die Amplitude und somit auch die Steigung der linear verlaufenden Kurve U_BEMF(t) in diesem Bereich mit zunehmender Temperatur abnimmt. Diesen Effekt nutzt das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der Temperatur des Rotors aus.
Hierzu können die sich in Abhängigkeit von der Temperatur des Rotors ergebenden verschiedenen Steigungen der U_BEMF-Zeit-Kurve mit den zugehörigen Temperaturwerten vorab bestimmt und tabellenartig, beispielsweise in Form einer dem Fachmann als Lookup-Table geläufigen Tabellenform oder in Form einer analytischen Beziehung abgelegt werden. Der Zusammenhang zwischen Steigung der U_BEMF-Zeit-Kurve und zugeordnetem Temperaturwert des Rotors steht für dann für das erfindungsgemäße Verfahren zur Verfügung. Durch Messung der BEMF-Spannung in besagtem linearen Bereich als Funktion der Zeit und anschließender Bestimmung der Steigung der U_BEMF-Zeit-Kurve lässt sich also mit Hilfe der gespeicherten, tabellenartigen Wertepaare von Steigung und Temperatur der gesuchte Wert der Rotortemperatur ermitteln.
Die Messung der elektromotorischen BEMF-Spannung kann mit Hilfe einer sogenannten Block- oder Trapez-Kommutierung erfolgen, d. h. es werden nicht alle im Stator vorhandenen Spulen von außen aktiv bestromt. Vielmehr bleibt wenigstens eine Spule unbestromt, so dass sie zur störungsfreien Messung der induzierten BEMF-Spannung zur Verfügung steht.
Alternativ dazu kann zur Messung der elektromotorischen BEMF-Spannung die elektrische Bestromung der Stator-Spulen des Stators periodisch kurzzeitig unterbrochen werden. In diesem, nicht aktiv von außen bestromten Zustand der Stator-Spulen entspricht die an der Stator-Spule abfallende elektrische Spannung der gesuchten elektromotorischen BEMF-Spannung.
Zwischen der BEMF-Spannung U_BEMF und den physikalischen Parametern N, L, r_rot, B, und ω ist im oben erwähnten Zeitfenster mit linearer Zeitabhängigkeit folgender Zusammenhang bekannt: U_BEMF(t) = f(NLr_rotBωt), wobei N die Anzahl der Windungen der Stator-Spule, L deren Induktivität, r_rot der Radius des Rotors, B die vom Rotor erzeugte magnetische Flussdichte durch eine der Stator-Spulender und ω die Winkelgeschwindigkeit des rotierenden Rotors sind.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung der Temperatur des Rotors eines Elektromotors wird die Rotor-Temperatur des Rotors durch Auswertung der vom Rotor in wenigstens einer Stator-Spule des Stators des Elektromotors erzeugten elektromotorischen Spannung U_BEMF bestimmt.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt die Bestimmung der Temperatur des Rotors durch Auswertung der zeitlichen Änderung der im Stator induzierten elektromotorischen BEMF-Spannung. Da in modernen Elektromotoren die in den Stator-Spulen induzierte elektromotorische BEMF-Spannung zur Synchronisation der Bestromung der Stator-Spulen mit der momentanen Position des rotierenden Rotors ohnehin standardmäßig gemessen wird, steht diese auch zur Auswertung für die Bestimmung der Temperatur des Rotors zur Verfügung.
Besonders zweckmäßig wird zur Ermittlung der Temperatur des Rotors die Steigung der zeitabhängigen elektromotorischen BEMF-Spannung Rotors in einem vorbestimmten Zeitintervall ermittelt, in welchem eine lineare Abhängigkeit der elektromotorischen BEMF-Spannung von der Zeit besteht. Dies vereinfacht die Bestimmung der Steigung der Temperatur erheblich, da nichtlineare Effekte vernachlässigt werden können.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Rotor-Temperatur durch Vergleich der ermittelten Steigung der elektromotorischen BEMF-Spannung mit einer Mehrzahl von in einem Lookup-Table abgelegten Wertepaaren aus Steigung und zugeordneter Rotortemperatur bestimmt. Solche Wertepaare können vorab durch Messung bestimmt und in einer Speichereinheit abgelegt werden, auf welche eine das erfindungsgemäße Verfahren ausführende Steuerungseinheit während der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zugreifen kann. Auf diese Weise lässt sich die Rotortemperatur mit besonders hoher Genauigkeit bestimmen.
Besonders bevorzugt wird die Rotortemperatur mittels einer als Beobachter ausgebildeten Regelungseinrichtung geschätzt, welcher als Eingangsgrößen wenigstens einen der folgenden Parameter aufweist:

– die elektrische BEMF-Spannung U_BEMF als Funktion der Zeit,
– die Anzahl N der Windungen einer der Stator-Spule,
– die Induktivität L einer der Stator-Spulen,
– den Radius r_rot des Rotors,
– die magnetische Flussdichte B durch eine der Stator-Spulen,
– die Winkelgeschwindigkeit ω des rotierenden Rotors.

Ein solcher Beobachter erlaubt eine genaue Abschätzung der Temperatur des Rotors mittels eines Reglers, ohne dass die Temperatur hierzu direkt als Messgröße zur Verfügung stehen muss.
Die Erfindung betrifft ferner einen Elektromotor, insbesondere für eine elektromotorisch angetriebene Vorrichtung, mit einem wenigstens einer Stator-Spule aufweisenden Stator und mit einem relativ zum Stator drehverstellbaren Rotor. Zu Antreiben des Rotors wird in diesem durch elektrisches Bestromen der wenigstens einen Stator-Spule ein Drehmoment erzeugt. Der Elektromotor weist eine Steuerungs-/Auswertungseinrichtung auf, welche zum Antreiben des Rotors mit der wenigstens einen Stator-Spule zusammenwirken kann. Besagte Steuerungs-/Auswertungseinrichtung ist zur Durchführung des vorangehend erläuterten Verfahrens eingerichtet/programmiert.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist am Elektromotor, insbesondere an dessen Rotor, kein elektrischer Temperatursensor angeordnet. Als „elektrischer Temperatursensor” wird vorliegend jedwedes Bauteil verstanden, welcher zur direkten oder indirekten Messung der Temperatur in unmittelbarer Umgebung des Bauteils ausgebildet ist und als Sensorsignal ein der gemessenen Temperatur zugeordnetes elektrisches Sensorsignal, insbesondere eine elektrische Sensor-Spannung, bereitstellt. Durch den Verzicht auf solche Temperatursensoren, die speziell zur direkten Temperaturmessung ausgebildet sind, lässt sich der Aufbau des Elektromotors, insbesondere im Hinblick auf den bei Verwendung separater Temperatursensoren direkt an den Bauteilen des Rotors erheblichen Verdrahtungsaufwand, deutlich vereinfachen.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Elektromotor als Dreiphasen-Elektromotor, insbesondere mit drei Stator-Spulen, ausgebildet. Die drei Stator-Spulen können dabei in einem gemeinsamen elektrischen Verzweigungspunkt sternartig elektrisch miteinander verbunden. Hierzu kann jede der drei Stator-Spulen mit jeweils einem ihrer beiden Spulenenden elektrisch mit dem gemeinsamen elektrischen Verzweigungspunkt verbunden sein. Eine solche elektrische Verschaltung der drei Stator-Spulen erlaubt eine besonders einfache Bestimmung der an den einzelnen Stator-Spulen abfallenden elektrischen BEMF-Spannungen. Alternativ ist auch eine Dreiecks-Verschaltung denkbar.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Steuerungs-/Auswertungseinrichtung für wenigstens eine Stators-Spule, vorzugsweise für jede Stator-Spule, jeweils einen elektrischen Differenzverstärker, insbesondere einen Operationsverstärker, mit einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluss und mit einem Ausgangsanschluss auf. Dabei ist der erste Eingangsanschluss elektrisch mit dem elektrischen Verzweigungspunkt verbunden. Die Verwendung eines derartigen Differenzverstärkers gestattet eine präzise Messung der elektrischen BEMF-Spannung mittels einer geringen Anzahl an elektronischen Bauelementen.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der zweite Eingangsanschluss mit einem vom elektrischen Verzweigungspunkt abgewandten Spulenende der dem Differenzverstärker zugeordneten jeweiligen Stator-Spule oder, alternativ dazu, mit einem Massepotential verbunden.
Die Erfindung betrifft auch eine elektromotorisch angetriebene Vorrichtung, vorzugsweise eine Pumpvorrichtung, höchst vorzugsweise eine Ölpumpe oder Vakuumpumpe oder Wasserpumpe oder Kraftstoffpumpe, mit wenigstens einem vorangehend vorgestellten Elektromotor.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch
1 den Aufbau eines als Dreiphasen-Elektromotor realisierten, erfindungsgemäßen Elektromotors,
2 ein U_BEMF-Zeit-Diagramm der in einer Stator-Spule induzierten elektromotorischen BEMF-Spannung im Betrieb des Elektromotors,
3 eine Detaildarstellung der 2, in welchem ein linearer Zusammenhang zwischen der Zeit t und der elektromotorischen BEMF-Spannung besteht,
4 eine schaltplanartige Darstellung einer Regelungseinrichtung in Form eines „Beobachters”, der zur Ermittlung der gesuchten Rotor-Temperatur unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient.
5 ein das erfindungsgemäße Verfahren beschreibende Funktionsdiagramm,
6a–e schaltplanartig verschiedene technische Realisierungsmöglichkeiten zur Messung der elektromotorischen BEMF-Spannung.
1 illustriert in schematischer Darstellung den Aufbau eines erfindungsgemäßen Elektromotors 1, der im Beispielszenario als Dreiphasen-Elektromotor 2 realisiert ist. Der Dreiphasen-Elektromotor 2 umfasst einen Stator 3 mit drei Stator-Spulen 4a, 4b, 4c sowie einen relativ zum Stator 3 um eine Drehachse A entlang einer Drehrichtung D drehbaren Rotor 5. Der Rotor 5 besitzt im Beispiel der 1 entlang der Drehrichtung D sechs Magnetelemente 5a–5f entgegengesetzter Polarisation, d. h. entlang der Drehrichtung D wechseln sich magnetische Nordpole N und magnetische Südpole S ab. In Varianten des Beispiels kann die Anzahl der Magnetelemente 5a–5f variieren. Durch geeignetes elektrisches Bestromen der Stator-Spulen 4b, 4c kann über Wechselwirkung des von den Stator-Spulen 4a, 4b, 4c erzeugten Magnetfeldes mit dem Magnetfeld der von Permanentmagnete 5a–5c in dem Rotor 5 in bekannter Weise ein Drehmoment erzeugt werden, so dass der Rotor 5 relativ zum ortsfesten Stator 3 eine Drehbewegung ausführt.
Der als Dreiphasen-Elektromotor 2 ausgebildete Elektromotor 1 umfasst ferner eine Steuerungs-/Auswertungseinrichtung 6 zum Steuern der Bestromung der Stator-Spulen 4b, 4c. Die hierzu erforderlichen elektrischen Leitungspfade zwischen den drei Stator-Spulen 4a, 4b, 4c einschließlich geeigneter, zwischengeschalteter Bauelemente wie beispielsweise einer Leistungs-Endstufe mit geeigneten Transistoren zum gezielten elektrischen Bestromen der Stator-Spulen 4a, 4b, 4c sind nicht zentraler Bestandteil der hier vorgestellten Erfindung und daher aus Gründen der Übersichtlichkeit in 1 nicht gezeigt.
Im Beispielszenario dient die Steuerungs-/Auswertungseinrichtung 6 nicht nur zur Steuerung der elektrischen Bestromung der Stator-Spulen 4b, 4c, sondern auch zur Bestimmung der Rotor-Temperatur T_Rotor des Rotors 5 unter Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Hierzu kann die Steuerungs-/Auswertungseinrichtung 6 als Mikrocontroller ausgebildet sein und eine Steuerungseinheit (ECU) 14 sowie eine mit dieser zusammenwirkenden Speichereinheit 15 aufweisen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf geeignete Weise, typischerweise in Form von Programm-Code, in der Speichereinheit 15 abgelegt und von der Steuerungseinheit 14 der Steuerungs-/Auswertungseinrichtung 6 ausgeführt werden.
Wie 1 erkennen lässt, sind die drei Stator-Spulen 4a, 4b, 4c in einem gemeinsamen elektrischen Verzweigungspunkt 7 sternartig elektrisch miteinander verbunden. Die Steuerungs-/Auswertungseinrichtung 6 umfasst für die Stator-Spule 4a einen elektrischen Differenzverstärker 8. Dieser ist als Operationsverstärker 9 mit einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluss 10a, 10b sowie und mit einem Ausgangsanschluss 11 ausgebildet.
Die Messung der elektromotorischen BEMF-Spannung kann mit Hilfe einer sogenannten Block- oder Trapez-Kommutierung erfolgen, d. h. es werden nicht alle – Spulen 4a–4c des Stators 3 von außen aktiv bestromt. Vielmehr bleibt die Stator-Spule 4a unbestromt, so dass sie zur Messung der BEMF-Spannung zur Verfügung steht.
Alternativ dazu kann zur Messung des zeitlichen Verlaufs der elektromotorischen BEMF-Spannung U_BEMF die zum Antreiben des Rotors 5 erforderliche, oszillierende elektrische Bestromung der Stator-Spulen 4a–4c kurzzeitig unterbrochen werden. In einem derartigen, elektrisch nicht bestromten Zustand der Stator-Spulen 4a–4c fällt an den Wicklungen der Stator-Spulen 4a–4c ausschließlich die zur Temperaturbestimmung des Rotors 5 erforderliche elektromotorische BEMF-Spannung U_BEMF ab.
Entsprechend 1 ist der erste Eingangsanschluss 10a elektrisch mit dem elektrischen Verzweigungspunkt 7 verbunden. Der zweite Eingangsanschluss 10b ist mit einem vom Verzweigungspunkt 7 abgewandten Spulenende 12 der dem Differenzverstärker 8 zugeordneten Stator-Spule 4a verbunden. Dies erlaubt eine potentialfreie Messung der elektrischen BEMF-Spannung U_BEMF. In einer dazu alternativen Variante kann der zweite Eingangsanschluss 10b auch mit einem Massepotential 13 – diese Variante ist im Beispiel der 1 exemplarisch in Form eines gestrichelt dargestellten Leitungspfads wiedergegeben – verbunden sein. Das vom Differenzverstärker 8 am Ausgangsanschluss 11 erzeugte elektrische Ausgangssignale wird mittels eines einen in 1 nur schematisch angedeuteten Analog-Digital-Konverters 25 digitalisiert und anschließend der Steuerungs- 14 der Steuerungs-/Auswertungseinrichtung 6 zur Auswertung für das erfindungsgemäße Verfahren als Eingangssignal zur Verfügung gestellt.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die Temperatur T_Rotor des Rotors 5 durch Auswertung der vom Rotor 5 in der Stator-Spule 4a induzierten elektromotorischen Spannung U_BEMF bestimmt. Es hat sich gezeigt, dass die elektrische BEMF-Spannung U_BEMF mit der Temperatur T_Rotor des Rotors 5 variiert. Diese Abhängigkeit der Temperatur T_Rotor des Rotors 5 wird beim erfindungsgemäßen Verfahren genutzt, um die gesuchte Temperatur T_Rotor des Rotors 5 im Betrieb des Elektromotors 1 ohne Verwendung zusätzlicher Temperatursensoren ermitteln zu können. Die Bereitstellung spezifischer, für die Temperaturmessung konzipierter Temperatursensoren ist daher für die Durchführung des Verfahrens nicht erforderlich.
Beim hier vorgestellten Verfahren erfolgt die Bestimmung die Rotor-Temperatur T_Rotor durch Auswertung der zeitlichen Änderung der im Stator 3 induzierten elektromotorischen BEMF-Spannung U_BEMF.
Im Beispielszenario der Figuren wird zur Ermittlung der Temperatur T_Rotor des Rotors 5 die Steigung der zeitabhängigen elektromotorischen BEMF-Spannung U_BEMF in einem Zeitintervall ermittelt, in welchem eine lineare Abhängigkeit der elektromotorischen BEMF-Spannung U_BEMF von der Zeit t besteht. Dies ist in dem U_BEMF-Zeit(t)-Diagramm der 2 gezeigt: Man erkennt deutlich den durch die Rotation des Rotors 5 bedingten, oszillierenden Verlauf der in der Stator-Spule 4a induzierten BEMF-Spannung U_BEMF als Funktion der Zeit t. In dem mit dem Bezugszeichen 30 bezeichneten Zeitfenster, der zur Verdeutlichung in 3 in separater Darstellung gezeigt ist, besteht die zur Temperaturbestimmung erforderliche lineare zeitliche Abhängigkeit zwischen der BEMF-Spannung und der Zeit t. Im Beispiel der 2 und 3 sind exemplarisch zehn verschiedene Graphen G₁, G₂, ..., G₁₀ dargestellt, wobei jedem Graphen eine individuelle Rotor-Temperatur T_Rotor ¹, T_Rotor ², ..., T_Rotor ¹⁰ zugeordnet ist. Man erkennt, dass die Steigungen m₁, m₂, ..., m₁₀ der einzelnen Graphen G₁, ..., G₁₀ variieren, so dass jeder Steigung m₁, m₂, ..., m₁₀ eine individuelle Rotor-Temperatur T_Rotor ¹, T_Rotor ², ..., T_Rotor ¹⁰ zugeordnet werden kann.
Im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens wird von der Steuerungs-/Auswertungseinrichtung 6 aus der gemessenen U_BEMF-Zeit-Kurve die jeweilige Steigung m dieser Kurve im linearen Bereich 30 ermittelt. Anschließend wird die ermittelte Steigung m mit einer Mehrzahl von in einem Lookup-Table definierten und in der Speichereinheit 15 abgelegten Wertepaaren aus Steigung m_x und Rotortemperatur T_Rotor ^x verglichen und derjenige Graph G_x bestimmt, welcher eine Steigung m_x aufweist, die der gemessenen Steigung m entspricht.
Das Lookup-Table kann vorab, also vor Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, in der Art einer Kalibrierung der Abhängigkeit der Rotortemperatur T_Rotor von der elektromotorischen BEMF-Spannung U_BEMF durch Messung verschiedener U_BEMF-Zeit-Diagramme bei unterschiedlichen Rotor-Temperaturen T_Rotor erzeugt werden. Es ergibt sich dann ein Bündel von Graphen G_x ähnlich jenem gemäß der Darstellung der 2 und 3. Der dem auf diese Weise bestimmten Graphen G_x zugeordnete Temperaturwert entspricht der tatsächlichen Temperatur T_Rotor des Rotors 5. Es ist klar, dass geeignete, dem einschlägigen Fachmann geläufige Interpolationsverfahren zur Anwendung kommen können, wenn für die gemessene Steigung m dem Lookup-Table kein Graph G_x mit dazu exakt identischer Steigung m_x, also m_x ≡ m, entnommen werden kann.
Im Beispiel der 2 und 3 ist dem mit G₁ bezeichneten Graph mit Steigung m₁ im Bereich 30 eine Rotor-Temperatur T_Rotor von 40°C zugeordnet. Demgegenüber ist dem Graph mit Steigung m₁₀ im Bereich 30 eine Rotor-Temperatur T_Rotor von 140°C zugeordnet.
In einer Variante des Beispiels kann die gesuchte Temperatur des Rotors 5 mittels einer als Beobachter 16 ausgebildeten Regelungseinrichtung abgeschätzt werden. Ein solcher Beobachter kann als Computerprogramm-Produkt in die Steuerungs-/Auswertungseinrichtung 6 implementiert sein. Die Funktionsweise eines solchen Beobachters 16 ist in 4 schematisch dargestellt. Entsprechend 4 wird beim Beobachter 16 das reale physikalische Verhalten 35 des Systems „Elektromotor 1” mit verschiedenen bekannten oder gemessenen Eingangsgrößen 24 und direkt messbaren Ausgangsgrößen 18 durch ein Modell 17 modelliert. Entsprechend 4 kann die Eingangsgröße 24 einer oder mehrerer der folgenden Parameter sein:

– die elektrische BEMF-Spannung U_BEMF als Funktion der Zeit t,
– die Anzahl N der Windungen der Stator-Spule,
– die Induktivität L der Stator-Spule,
– den Radius des Rotors r_rot,
– die magnetische Flussdichte B durch die Stator-Spulen 4a–4c, und
– die Winkelgeschwindigkeit ω des rotierenden Rotors 5.

Ferner umfasst das Modell 17 des Systems „Elektromotor 1” als nicht einer direkten Messung zugängliche Zustandsgröße 23 die gesuchte Temperatur T_Rotor des Rotors 5 sowie als direkt messbare Ausgangsgrößen 18 die bereits genannten Parameter wie etwa die Anzahl N der Windungen der Stator-Spulen 4a–4c, die Induktivität L der Stator-Spulen 4a–4c, den Rotor-Radius r_rot, der in radialer Richtung, als senkrecht zur Drehachse des Rotors 5 gemessen wird, die magnetische Flussdichte B durch die Stator-Spulen 4a–4c und die Winkelgeschwindigkeit ω des rotierenden Rotors 5.
Durch Vergleich 20 der mittels Messung erfassten Werte der Ausgangsgrößen 18 mit den modellierten Werten 19 kann ein sogenannter Beobachter-Fehler 21 bestimmt werden. Dieser wird in das Modell 17 als Eingangsgröße 22 zurückgeführt. Das Modell 17 des Systems „Elektromotor 1” wird nun dahingehend geregelt, dass der Beobachterfehler 21 einen Null-Wert annimmt, d. h. die Regelabweichung wird zu Null geregelt. Der sich bei einem derartig angepassten Modell 17 ergebende Wert der Zustandsgröße 23 ist die gesuchte Temperatur T_Rotor des Rotors 5.
Im Folgenden sei das Augenmerk auf die 5 gerichtet, welche ein Funktionsdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt. Entsprechend 1 wird zur Messung der BEMF-Spannung im Elektromotor 1 eine sternartige Schaltungsanordnung mit Verzweigungspunkt 7 (vgl. Diagramm 31 der 5) oder eine Dreieckschaltung (vgl. Diagramm 32 der 5) mit einem virtuellen Verzweigungspunkt verwendet. Dem Verzweigungspunkt 7 nachgeschaltet können verschiedene elektrische/elektronische Bauelemente 33 wie etwa ein elektrischer Spannungsteiler sein. Mittels einer den Bauelementen 33 nachgeschalteten Messanordnung 34 wird die gesuchte elektrische BEMF-Spannung U_BEMF gemessen. Der Messanordnung 34 nachgeschaltet ist dann die bereits anhand der 1 erläuterte Steuerungs-/Auswertungseinrichtung 6, welche den ebenfalls bereits erläuterten Beobachter aufweisen kann.
In den 6a bis 6e sind schaltplanartig verschiedene technische Realisierungsmöglichkeiten der Messanordnung 34 gezeigt: 6a schlägt eine differentielle Messung der elektromotorischen BEMF-Spannung vor, die 6b eine Messung gegen Masse. Entsprechend der Variante gemäß 6c wird eine Messung gegen eine Referenz-Spannung U_Ref durchgeführt. Bei 6d wird eine offene Phasenmessung verwendet, bei 6e eine Phasenmessung mit virtuellem Sternpunkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009025390 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Temperatur (T_Rotor) des Rotors (5) eines Elektromotors (1), gemäß welchem die Temperatur (T_Rotor) des Rotors (5) durch Auswertung der vom Rotor (5) in wenigstens einer Stator-Spule (4a, 4b, 4c) eines Stators (3) des Elektromotors (1) erzeugten elektromotorischen BEMF-Spannung (U_BEMF) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Temperatur (T_Rotor) des Rotors (5) durch Auswertung der zeitlichen Änderung der elektromotorischen BEMF-Spannung (U_BEMF) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Temperatur (T_Rotor) des Rotors (5) in einem vorbestimmten Zeitintervall die Steigung (m, m_x, m₁, ..., m₁₀) der zeitabhängigen elektromotorischen BEMF-Spannung (U_BEMF) als Funktion der Zeit (t) ermittelt wird, in welchem eine lineare Abhängigkeit der elektromotorischen BEMF-Spannung (U_BEMF) von der Zeit (t) besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (T_Rotor) des Rotors (5) durch Vergleich der ermittelten Steigung (m, m_x, m₁, ..., m₁₀) mit einer Mehrzahl von in einem Lookup-Table abgelegten Wertepaaren von Steigung (m_x) und Rotortemperatur (T_Rotor ^x) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (T_Rotor) des Rotors (5) mittels einer als Beobachter (16) ausgebildeten Regelungseinrichtung geschätzt wird, welche als Eingangsgrößen wenigstens einen oder der folgenden Parameter verwendet: – die elektrische BEMF-Spannung (U_BEMF) als Funktion der Zeit (t), – die Anzahl (N) der Windungen einer Stator-Spule (4a, 4b, 4c) – die Induktivität (L) der Stator-Spule (4a), – den Radius (r_rot) des Rotors (5), – die magnetische Flussdichte (B) durch die Stator-Spulen (4a, 4b, 4c), – die Winkelgeschwindigkeit (ω) des rotierenden Rotors (5).
Elektromotor (1), insbesondere für eine Pumpvorrichtung, – mit einem wenigstens eine Stator-Spule (4a, 4b, 4c) aufweisenden Stator (3), – mit einem relativ zum Stator (3) drehverstellbaren Rotor (5), in welchem durch elektrisches Bestromen der wenigstens einen Stator-Spule (4a, 4b, 4c) des Stators (3) ein Drehmoment zum Antreiben des Rotors (5) erzeugbar ist, – mit einer zum Antreiben des Rotors (5) mit der wenigstens einen Stator-Spule (4a, 4b, 4c) zusammenwirkenden Steuerungs-/Auswertungseinrichtung (6), welche zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet/programmiert ist.
Elektromotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass am Elektromotor (1), insbesondere am Rotor (5) des Elektromotors (1), kein elektrischer Temperatursensor angeordnet ist.
Elektromotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (1) als Dreiphasen-Elektromotor (2) mit drei Stator-Spulen (4a, 4b, 4c) ausgebildet ist, wobei die drei Stator-Spulen (4a, 4b, 4c) in einem gemeinsamen elektrischen Verzweigungspunkt (7) sternartig elektrisch miteinander verbunden sind.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungs-/Auswertungseinrichtung (6) für wenigstens eine Stator-Spule (4a, 4b, 4c), vorzugsweise für jede Stator-Spule (4a, 4b, 4c), einen elektrischen Differenzverstärker (8), insbesondere einen Operationsverstärker (9), mit einem ersten und einem zweiten Eingangsanschluss (10a, 10b) und mit einem Ausgangsanschluss (11) aufweist, wobei der erste Eingangsanschlüsse (10a) elektrisch mit dem elektrischen Verzweigungspunkt (7) verbunden ist.
Elektromotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Eingangsanschluss (10b) elektrisch mit einem vom Verzweigungspunkt (7) abgewandten Spulenende (12) der dem elektrischen Differenzverstärker (8) zugeordneten jeweiligen Stator-Spule (4a) oder mit einem Massepotential (13) verbunden ist.
Elektromotorisch angetriebene Vorrichtung, vorzugsweise Pumpvorrichtung, höchst vorzugsweise Ölpumpe oder Vakuumpumpe oder Wasserpumpe oder Kraftstoffpumpe, mit wenigstens einem Elektromotor (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 9.