DE102016120056A1

DE102016120056A1 - Bestimmung des statorwicklungswiderstands in einem elektromotor

Info

Publication number: DE102016120056A1
Application number: DE102016120056.5A
Authority: DE
Inventors: Dwarakanath V. Simili; Jihoon Jang; Sinisa Jurkovic
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2015-11-04
Filing date: 2016-10-20
Publication date: 2017-05-04
Anticipated expiration: 2036-10-21
Also published as: CN106655980B; DE102016120056B4; CN106655980A; US20170126166A1; US9647602B1

Abstract

Eine Elektromotorbaugruppe, einen Elektromotor mit einem Stator und einen Rotor beinhaltend. Der Stator weist Statorwicklungen mit einer Statorwicklungstemperatur (tS) auf, und der Rotor ist so konfiguriert ist, dass er sich mit einer Rotorgeschwindigkeit (ω) dreht. Eine Steuerung ist operativ mit einem Elektromotor verbunden und hat einen Prozessor und einen physischen, nichtflächigen Speicher, in dem Anweisungen zur Ausführung eines Verfahrens zur Bestimmung des Statorwicklungswiderstands festgehalten sind. Die Steuerung ist so konfiguriert, dass ein schnell arbeitender Widerstandsfaktor (rH) festgelegt werden kann, der mindestens teilweise auf dem Drehmomentbefehl (T*), der Statorwicklungstemperatur (tS), der Rotordrehzahl (ω), einem bestimmten Drehmomentfehler und einer Reihe von Polpaaren (P) basiert. Die Steuerung kann einen Gesamtwiderstandswert (R) basierend auf einem Gewichtungsfaktor (k), dem Widerstandsfaktor (rH) und dem Widerstandsfaktor (RL) bestimmen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Offenbarung betrifft im Allgemeinen die Bestimmung des Statorwicklungswiderstands in der Baugruppe eines Elektromotors.
HINTERGRUND
Elektromotoren, wie beispielsweise eine Dauermagnet-Maschine für Innenräume, beinhalten im Allgemeinen einen Rotor mit einer Mehrzahl von Magneten wechselnder Polarität. Der Rotor ist innerhalb eines Stators drehbar, der im Allgemeinen mehrere Statorwicklungen und magnetische Pole wechselnder Polarität beinhaltet. Ein Elektromotor, wie etwa ein Motor, nimmt elektrische Energie in Bezug auf eine Potenzialdifferenz und einen Stromfluss auf und verwandelt sie in mechanische Arbeit. Da die Elektromotoren nicht 100% effizient sind, geht die elektrische Energie teilweise aufgrund des elektrischen Widerstands der Wicklungen durch Wärmeentwicklung verloren. Der elektrische Widerstand der Statorwicklungen bei hohen Rotordrehzahlen unterscheidet sich erheblich je nach Betriebstemperatur und Strom.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Elektromotor besteht aus einem Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor. Der Stator weist Statorwicklungen mit einer Statorwicklungstemperatur (t_S) auf, und der Rotor ist so konfiguriert ist, dass er sich mit einer Rotorgeschwindigkeit (ω) dreht. Eine Steuerung ist operativ mit dem Elektromotor verbunden und so konfiguriert, dass er eine Drehmomentanforderung (T*) empfängt. Die Steuerung ist mit einem Prozessor und einem physischen, nichtflächigen Speicher ausgestattet, in dem Anweisungen zur Ausführung eines Verfahrens zur Bestimmung des Statorwicklungswiderstands festgehalten sind. Die Ausführung der Anweisungen durch den Prozessor veranlasst die Steuerung, einen schnellen Widerstandsfaktor (r_H) für die Statorwicklungen festzulegen. Der schnell arbeitende Widerstandsfaktor (r_H) basiert mindestens teilweise auf dem Drehmomentbefehl (T*) der Statorwicklungstemperatur (t_S), der Rotordrehzahl (ω), einem bestimmten Drehmomentfehler und einer Reihe von Polpaaren (P) des Elektromotors.
Die Steuerung kann konfiguriert sein, um einen niedrigen Widerstandsfaktor (r_L) für die Statorwicklungen festzulegen, mindestens teilweise beruhend auf einem vordefinierten Drahtkoeffizienten (α), einem gemessenen Statorwiderstand (r₀) bei einer vordefinierten Messtemperatur (t₀), einer Temperaturdifferenz zwischen der Statorwicklungstemperatur (t_S) und einer vordefinierten Messtemperatur (t₀), sodass: T_L = [T₀(1 + α·(t_S – t₀)] ist. Die Steuerung kann konfiguriert sein, um einen Gesamtwiderstand (R) für die Statorwicklungen festzulegen, mindestens teilweise basierend auf einem Gewichtungsfaktor (k) und hohen und niedrigen Widerstandsfaktoren, sodass R = [k·r_H + (1 – k)·r_L] und 0 < k < 1 ist. Die Steuerung kann mindestens einen Betriebsparameter des Elektromotors steuern, mindestens teilweise basierend auf dem Gesamtwiderstand (R) für die Statorwicklungen, um eine verbesserte Leistung und/oder Effizienz zu erreichen.
Es kann ein erster Temperatursensor operativ mit der Steuerung verbunden und so konfiguriert werden, dass er die Statorwicklungstemperatur erfasst (t_S). Es kann ein zweiter Temperatursensor operativ mit der Steuerung verbunden und so konfiguriert werden, dass er die Rotortemperatur erfasst. Es kann ein Magnetflusssensor operativ mit der Steuerung verbunden und so konfiguriert sein, dass er einen magnetischen Fluss des Elektromotors erfasst. Es wird ein Verfahren zur Ermittlung der hohen und niedrigen Widerstandsfaktoren und des Gesamtwiderstands (R) vorgesehen. Das hier beschriebene Verfahren und die hier beschriebene Baugruppe minimiert die Verwendung umfangreicher Nachschlagetabellen und komplexer Kurvenanpassungen zur Schätzung der Änderung des Statorwiderstands bei verschiedenen Rotordrehzahlen. Das Verfahren verwendet einen geschätzten magnetischen Fluss (von einem Magnetflusssensor oder FEA-Modell) und zwei unabhängige Drehmomentschätzungen, wie beispielsweise die Verwendung von strombasierten (Flusskarte) und aktiven leistungsbasierten Schätzungen.
Der schnell arbeitende Widerstandsfaktor (r_H) sorgt für die Variation im Statorwiderstand, wenn die Rotordrehzahl (ω) relativ hoch ist. Der niedrige Widerstandsfaktor (r_L) sorgt für die Variation im Statorwiderstand, wenn die Rotordrehzahl (ω) relativ niedrig ist. Der Wichtungsfaktor (k) kann eins sein, wenn die Rotordrehzahl (ω) bei oder über einer vordefinierten hohen Geschwindigkeitsschwelle (z. B. ω > 5000 U/min) liegt. Der Wichtungsfaktor (k) kann null sein, wenn die Rotordrehzahl (ω) bei oder unter einer vordefinierten niedrigen Drehzahlschwelle (z. B. ω < 3000 U/min) liegt.
Die Bestimmung des schnellen Widerstandsfaktors (r_H) beinhaltet: Ermittlung einer ersten Funktion (F₁) über die Steuerung, als Produkt eines Verweisfaktors und des Drehmomentbefehls (T*), worin der Verweisfaktor mindestens teilweise auf der Rotordrehzahl, der Statorwicklungstemperatur (t_S) und einem gekennzeichneten Drehmomentfehler beruht. Der gekennzeichnete Drehmomentfehler kann als Differenz zwischen zwei beliebigen unabhängigen oder unterschiedlichen Schätzungen des vom Motor erzeugten Drehmoments definiert werden. Eine zweite Funktion (F₂) kann über die Steuerung ermittelt werden, als Summe der ersten Funktion (F₁), ein Drehmoment kann (T_a) an der Rotortemperatur erreicht werden, und es kann eine vordefinierte erste Konstante (Y) erreicht werden, sodass: F₂ = (F₁ + T_a + Y).
Eine dritte Funktion (F₃) kann über die Steuerung ermittelt werden, als Produkt eines Statorwicklungswiderstands (r_C) an einer Ausgangstemperatur, und ein Drehmoment kann an der Ausgangstempertaur erreicht werden (T_C), sodass: F₃ = (T_C·r_C). Eine vierte Funktion (F₄) kann über die Steuerung ermittelt werden, als Differenz zwischen einem magnetischen Fluss (ψ_tr) an der Rotortemperatur und einem Magnetfluss (ψ_C) an der Ausgangstemperatur, sodass: F₄ = (ψ_tr – ψ_C). Eine fünfte Funktion (F₅) kann über die Steuerung ermittelt werden, als Produkt des Polpaars (P), der Rotordrehzahl (ω), eines angewiesenen Stroms (i * / d) und eines Induktivitätsfaktors (L_d0), sodass: F₅ = [P·ω·i * / d·L_d0].
Der schnell arbeitende Widerstandsfaktor (r_H) kann mindestens teilweise basierend auf der zweiten Funktion (F₂), der dritten Funktion (F₃), der vierten Funktion (F₄) und der fünften Funktion (F₅) ermittelt werden, sodass: r_H = [1/(2·F₂)][2·F₃ – (3·F₄·F₅)] ist.
Die oben genannten Funktionen und Vorteile sowie andere Funktionen und Vorteile der vorliegenden Offenbarung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung der bestmöglichen praktischen Umsetzung der dargestellten Offenbarung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen hervor.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine fragmentarische schematische Teil-Schnittdarstellung eines Elektromotors mit einem Stator mit Statorwicklungen;
2 ist ein Flussdiagramm für ein Methode zum Bestimmen des schnelllaufenden Widerstandsfaktors (r_H), des niedrigen Widerstandsfaktors (r_L) und des Gesamtwiderstands (R) für die Statorwicklungen von 1;
3 ist ein exemplarisches Diagramm zum Erzielen eines Verweisfaktors im Verfahren von 2;
4 ist ein beispielhaftes Diagramm zur Gegenüberstellung von Drehmoment und Motordrehzahl für die Baugruppe von 1.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Bezugnehmend auf die Zeichnungen, worin sich die gleichen Referenznummern auf die gleichen Komponenten beziehen, zeigt 1 eine schematische Ansicht eines Fahrzeugs mit einer Elektromotorbaugruppe 10. Baugruppe 10 beinhaltet einen Elektromotor 12. Baugruppe 10 kann ein Bauteil einer Vorrichtung 11 sein. Die Vorrichtung 11 kann ein PKW, ein Nutzfahrzeug, ein Roboter, ein landwirtschaftliches Gerät, Sportausrüstung oder eine andere Art Vorrichtung sein.
Bezugnehmend auf 1 beinhaltet der Elektromotor 12 einen Stator 14 und einen Rotor 16. Der Rotor 16 kann einen ersten Dauermagneten 18 und einen zweiten Dauermagneten 20 wechselnder Polarität um den äußeren Umfang eines Rotorkerns 22 beinhalten. Der Rotor 16 kann eine beliebige Anzahl von Dauermagneten beinhalten; zur Vereinfachung sind nur zwei dargestellt. Der Rotor 16 ist bei einer Rotordrehzahl (ω) im Stator 14 drehbar. Während das Ausführungsbeispiel nach 1 einen dreiphasigen Motor mit einem Polpaar (also mit zwei Polen) darstellt, versteht sich, dass eine beliebige Anzahl von Phasen oder Polpaaren eingesetzt werden kann.
Der Stator 14 beinhaltet einen Statorkern 24, der zylindrisch geformt sein kann, mit einem hohlen Innenraum. Der Statorkern 24 kann eine Vielzahl von nach innen ragenden Statorzähnen 26A–F beinhalten, die durch Lücken oder Schlitze 28 voneinander getrennt sind. Im Ausführungsbeispiel nach 1, können die Statorwicklungen 30 operativ mit dem Statorkern 24 verbunden sein, also beispielsweise um die Statorzähne 26A–F herumgewickelt sein. Der Elektromotor 12 kann viele verschiedene Formen annehmen und mehrere und/oder alternative Komponenten und Einrichtungen beinhalten. Der in den Figuren dargestellte Motor 12 soll nur als Beispiel dienen und keinerlei Einschränkung darstellen. Tatsächlich können zusätzliche oder alternative Komponenten und/oder Ausführungen verwendet werden.
Elektrischer Strom, der in den Statorwicklungen 30 fließt, bewirkt ein rotierendes Magnetfeld in Stator 14. Unter Bezugnahme auf 1 können die Statorwicklungen 30 sechs Gruppen von Wicklungen beinhalten; einen Satz für jede der drei Phasen (die erste Phase durch Statorwicklungen 30A und 30D, die zweite Phase durch Statorwicklungen 30B und 30E und die dritte Phase durch Statorwicklungen 30C und 30F). Alternativ können Schleifringe oder Bürsten (nicht dargestellt) eingesetzt werden. Bezugnehmend auf 1 wird eine verschobene (q) magnetische Achse 32 und eine direkte (d) magnetische Achse 34 dargestellt. Die ersten und zweiten Dauermagnete 18, 20 erzeugen ein Magnetfeld und einen magnetischen Fluss. Der magnetische Fluss des ersten und zweiten Dauermagnetenflusses 18, 20 sind ausgerichtet, wenn der Rotorwinkel 36 Null ist. Wie vorab bemerkt, kann es sich um einen beliebigen Elektromotor 12 handeln, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf Induktions- und Synchronmotoren.
Bezugnehmend auf 1 beinhaltet die Baugruppe 10 eine Steuerung 40, die operativ mit Motor 12 verbunden ist oder in elektronischer Kommunikation mit ihm steht. Die Steuerung 40 ist zum Empfang einer Drehmomentanforderung konfiguriert (T*). Bezugnehmend auf 1 beinhaltet die Steuerung 40 mindestens einen Prozessor 42 und mindestens einen Speicher 44 (oder ein anderes nicht flüchtiges, physisches und computerlesbares Speichermedium), in dem die erfassten Anweisungen zur Umsetzung von Verfahren 100, dargestellt in 2, zum Bestimmen des elektrischen Widerstands der Statorwicklungen 30, einschließlich eines schnellen Widerstandsfaktors (r_H), eines niedrigen Widerstandsfaktors (r_L) und eines Gesamtwiderstands (R) erfasst werden. Der Speicher 44 kann von der Steuerung ausführbare Anweisungssätze speichern, und der Prozessor 42 kann den auf dem Speicher 44 gespeicherten und von der Steuerung ausführbaren Anweisungssatz ausführen. Das Verfahren 100 und die Baugruppe 10, die hierin beschrieben sind, minimieren die Verwendung umfangreicher Nachschlagetabellen und komplexer Kurvenanpassung zum Schätzen der Änderung des Statorwiderstands bei verschiedenen Rotordrehzahlen.
Die Steuerung 40 aus 1 ist speziell zur Ausführung der Schritte aus Verfahren 100 (unten genauer in Bezug auf 2 besprochen) programmiert und kann Eingaben verschiedener Sensoren empfangen. Bezugnehmend auf 1 kann die Baugruppe 10 kann einen ersten Temperatursensor 46 (wie ein Thermistor oder Thermoelement) beinhalten, der in Kommunikation (z. B. elektronischer Kommunikation) mit der Steuerung 40 steht, wie in 1 dargestellt. Der erste Temperatursensor 46 ist in der Lage, die Temperatur der Ständerwicklungen 30A–F zu bestimmen und Eingabesignale an die Steuerung 40 zu senden. Der erste Temperaturfühler 46 kann auf einer der Statorwicklungen 30A–F installiert oder montiert sein. Alternativ können sensorlose Techniken zur Schätzung der Statorwicklungstemperatur eingesetzt werden, die Fachleuten bekannt sind, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf: eine Technik zur Einspritzung hochfrequenter Trägersignale und ein Motorthermomodell, basierend auf der Motorgeometrie und seiner thermischen und elektrischen Eigenschaften. Ein zweiter Temperatursensor 48 kann in Kommunikation mit der Steuerung 40 stehen und so konfiguriert werden, dass die Temperatur des Rotors 16, im Folgenden die „Rotortemperatur”, gemessen werden kann.
Bezugnehmend auf 1 kann die Baugruppe 10 einen Magnetflusssensor 50 beinhalten, der in Kommunikation (z. B. elektronischer Kommunikation) mit der Steuerung 40 steht. Der Magnetflusssensor 50 ist fähig, den Magnetfluss des Elektromotors 12 zu messen, wie die Feldlinien von Dauermagneten 18, 20 im Rotor 16, und die Eingabesignale an die Steuerung 40 zu senden. In einem Beispiel ist der Magnetflusssensor 50 ein Hall-Effekt-Sensor, aber es kann jede beliebige Art von Vorrichtung zum Messen von Magnetflüssen eingesetzt werden. Zusätzlich kann die Steuerung 40 programmiert werden, um den Magnetfluss basierend auf anderen Verfahren festzulegen, ohne den Einsatz von Sensoren, wie mit der FE-Berechnung oder mit jedem anderen Verfahren, das Fachleuten bekannt ist. Batteriepaket 56 kann operativ mit dem Motor 12 als Stromquelle für Gleichspannung verbunden werden.
Nun bezugnehmend auf 2 wird ein Flussdiagramm des Verfahrens 100 abgebildet, das auf der Steuerung 40 aus 1 gespeichert und von dieser ausgeführt werden kann. Das Verfahren 100 muss nicht in der bestimmten, hier genannten Reihenfolge angewendet werden. Darüber hinaus muss beachtet werden, dass einige Schritte eliminiert werden müssen. Das Verfahren 100 nutzt geschätzten magnetischen Fluss (von einem Magnetflusssensor 50 oder einem FE-Berechnungsmodell) und zwei unabhängige Motordrehmoment-Schätzungen, wie strombasierte (Flusskarte) und aktive leistungsbasierte Schätzungen. Bezugnehmend auf 2, Methode 100 kann mit Schritt 102 beginnen, worin die Steuerung 40 so programmiert oder konfiguriert ist, dass ein schneller Widerstandsfaktor (r_H) ermittelt wird. Schritt 102 beinhaltet Teilschritte 102A bis F.
In Schritt 102A aus 2 ist die Steuerung 40 so programmiert oder konfiguriert, dass eine erste Funktion (F₁) als Produkt des Verweisfaktors und des Drehmomentbefehls (T*) ermittelt werden kann. Der Drehmomentbefehl (T*) kann von der Steuerung 40 als Reaktion auf eine Eingabe eines Fahrzeugführers oder auf eine von Steuerung 40 überwachte Autostart-Bedingung empfangen werden. Wenn die Vorrichtung 11 ein Fahrzeug ist, kann die Steuerung 40 den Drehmomentbefehl (T*) basierend auf Eingabesignalen von einem Fahrzeugführer durch ein Gaspedal 52 und ein Bremspedal 54 bestimmen, wie in 1 dargestellt.
Um den Verweisfaktor zu erzielen, werden Kennzeichnungsdaten bei verschiedenen Rotordrehzahlen (ω) zu einer Ausgangstemperatur (C) genommen. Die Ausgangstemperatur (C) kann basierend auf der jeweiligen Anwendung variiert werden. In einem Beispiel beträgt die Ausgangstemperatur (C) 90°C. Der Verweisfaktor basiert mindestens teilweise auf der Rotordrehzahl (ω), der Statorwicklungstemperatur (t_S) und einem gekennzeichneten Drehmomentfehler. Der gekennzeichnete Drehmomentfehler (ΔT) ist definiert als die Differenz zwischen einer ersten Drehmomentschätzung T1 (d. h. ein Drehmoment, der aufgrund eines ersten Verfahrens geschätzt wird) und einer zweiten Drehmomentschätzung T2 (d. h. ein Drehmoment, der aufgrund eines zweiten Verfahrens geschätzt wird), sodass (ΔT = T1 – T2). Das erste Verfahren zur Schätzung des Drehmoments kann ein strombasiertes Flusskartenverfahren an der Ausgangstemperatur (C) sein, wie Fachleuten bekannt ist. Das zweite Verfahren zur Schätzung des Drehmoments kann ein aktives, leistungsbasiertes Verfahren an der Ausgangstemperatur (C) sein, wie Fachleuten bekannt. Es können zwei beliebige Verfahren zur Schätzung des Drehmoments verwendet werden, die Fachleuten bekannt sind.
Bezugnehmend auf 3 wird ein exemplarisches Diagramm zum Erzielen des Verweisfaktors dargestellt. In 3 stellt die vertikale Achse 202 die Differenz zwischen dem anhand des Flusskartenverfahrens geschätzten Drehmoments und einem aktiven Leistungsverfahren [beide an der Ausgangstemperatur (C)] als eine Funktion von Geschwindigkeit dar. Die horizontale Achse 204 stellt den Drehmomentbefehl (T*) (in Newton-Metern) dar. Die Kurven 206, 208 und 210 stellen Daten bei jeweiligen Rotordrehzahlwerten von 1000 U/min, 1500 U/min und 2000 U/min dar.
Wie in 3 dargestellt, weisen die Kurven 206, 208 und 210 Nichtlinearitäten bei hohen angewiesenen Drehzahlwerten auf, z. B. über ca. 80% des höchsten Drehmomentbefehls. Bezugnehmend auf 3 kann der Verweisfaktor als Steigung von Abschnitt 212 genommen werden, wo Kurven 208 und 210 übereinstimmen. Jedes Interpolationsverfahren, das Fachleuten bekannt ist, kann eingesetzt werden, um den Verweisfaktor zu erzielen, wie einfache lineare Approximation oder polynomes Hindurchlegen einer Kurve oder jedes andere Verfahren zum Hindurchlegen einer Kurve. Der Verweisfaktor kann die Fehler zwischen den Schätzungen von zwei unterschiedlicher Verfahren (beide an der Ausgangstemperatur) als Funktion der Rotordrehzahl (in diesem Fall zwischen 500 und 2000 U/min) bis 80% Drehmomentspitze kennzeichnen.
In Schritt 102B von 2 ist die Steuerung 40 so konfiguriert ist, dass eine zweite Funktion (F₂) als Summe der ersten Funktion (F₁) und eines an einer Rotortemperatur und einer vorgegebenen ersten Konstante (Y) erreichten Drehmoments (T_a) ermittelt werden kann, sodass: F₂ = (F₁ + T_a + Y). Die vorgegebene erste Konstante (Y) kann als y-Schnittpunkt des Verlaufsabschnitts 208 genommen werden. In einem Beispiel ist der Wert von Y als 5% angegeben. Das erreichte Drehmoment (T_a) wird als elektrisches Drehmoment verstanden und kann als gewichtete Summe eines niedrigen erreichten Drehmoments (T_LS) und eines hohen erreichten Drehmoment (T_HS) definiert werden, sodass: T_a = [(1 – K)·T_LS + K·T_HS].
4 ist ein Beispieldiagramm für ein Drehmoment gegenüber Rotordrehzahl für den Motor aus 1 und kann verwendet werden, um das erreichte Drehmoment (T_a) zu erzielen. Die Daten können in einer Prüfungslichtmaschine oder unter Laborbedingungen ermittelt werden. In 4 stellt die Hochachse 302 das erzielte Drehmoment (in Newton-Metern) dar, und die horizontale Achse 304 stellt die Motordrehzahl (in U/min) dar. Der erste Abschnitt 306 gibt den bei relativ niedrigen Rotordrehzahlen erreichten Langsam- Drehmoment (T_LS) an, wie beispielsweise Drehzahlen unter der ersten Drehzahl (ω₁), angegeben durch Linie 308. Der zweite Abschnitt 310 gibt den bei relativ höheren Rotordrehzahlen erreichten Schnell-Drehmoment (T_HS) an, wie beispielsweise Drehmomentdrehzahlen über der zweiten Drehzahl (ω₂), angegeben durch Linie 312. Der dritte Abschnitt 314 gibt den in einem „Blend-Bereich” erreichten Drehmoment an, mit Drehmomentdrehzahlen zwischen der ersten und der zweiten Drehzahl (ω₁ und ω₂). Der Gewichtungsfaktor für eine bestimmte Rotordrehzahl (ω) kann ermittelt werden als: K = (ω – ω₁)/(ω₂ – ω₁). Die obere Grenze 316 und die untere Grenze 318 zeigen die Grenzen von Fehler 320 des erreichten Drehmoments. Der niedrige erreichte Drehmoment (T_LS) und der hohe erreichte Drehmoment (T_HS) können auch geschätzt werden
Hier ist P_mech als die mechanische Ausgabeleistung des Motors definiert und P_dc als die Gleichstromleistung in den Motor 12, die als Produkt der DC-Kommunikationsspannung (V_dc) ermittelt werden kann (z. B. Spannung von einem Batteriesatz 56, der operativ mit dem Motor 12 und dem Gleichstrom (i_dc) verbunden ist. Zusätzlich ist P_{inv_loss} definiert als der Wechselrichterverlust (Umwandeln von DC in AC). Es kann ein nichtlineares Polynom sein, basierend auf den Wechselrichtermodellen, die Fachleuten bekannt sind. P_stat-loss ist definiert als der Verlust oder die abgeleitete Wärme in den Statorwicklungen 30. Der Wert der abgeleiteten Wärme kann anhand von Sensoren oder FE-Berechnungsmodellen gekennzeichnet oder ermittelt werden während der Motor 12 nicht in Betrieb ist.
In Schritt 102C von 2 ist die Steuerung 40 so konfiguriert, dass eine dritte Funktion (F₃) über die Steuerung ermittelt wird, als Produkt eines Statorwicklungswiderstands (r_C) an einer Ausgangstemperatur (C), und eines an der Ausgangstempertaur erreichten Drehmoments (T_C), sodass: F₃ = (T_C·r_C). Der erreichte Statorwicklungswiderstand (r_C) und der an der Ausgangstemperatur, wie z. B. 90 Celsius, erreichte Drehmoment (T_C) können durch Messungen im Labor oder durch eine Testzelle ermittelt werden.
In Schritt 102D aus 2 wird die Steuerung 40 so konfiguriert, dass eine vierte Funktion (F₄) als Differenz zwischen einem magnetischen Fluss (ψ_tr) an der Rotortemperatur und einem Magnetfluss (ψ_C) an der Ausgangstemperatur erzielt wird, sodass: F₄ = (ψ_tr – ψ_C). Der Magnetfluss kann wie zuvor beschrieben unter Verwendung eines Magnetflusssensors 50 gemessen oder geschätzt werden.
In Schritt 102E von 2 wird die Steuerung 40 so konfiguriert, dass eine vierte Funktion (F₅) als Produkt des Polpaars (P), der Rotordrehzahl (ω), eines angewiesenen Stroms (i * / d) und eines Induktivitätsfaktors (L_d0) ermittelt wird, sodass: F₅ = [P·ω·i * / d·L_d0]. Die DQ-Bezugsrahmenströme (i_d, i_q) aus den erfassten Strömen des Motors (I_a, I_b und I_c) werden unter Verwendung von Position oder Rotorwinkel 36 (dargestellt in 1) zum DQ-Bezugsrahmen übertragen. Ein Positionssensor 51 kann eingesetzt werden, um den Rotorwinkel 36 zu bestimmen. Die angewiesenen Ströme (i * / d, i * / q) werden anhand des Drehmomentbefehls (T*) und mittels Tabellen ermittelt. Die Induktivität (L) der Statorwicklung kann durch jede beliebige, Fachleuten bekannte Methode ermittelt werden. In einem Beispiel wird die Induktivität (L) als Funktion der Windungszahlen in der Statorwicklung (N), der relativen Permeabilität des Wickelkernmaterials (μ), des Bereichs der Wicklung/Spule in Quadratmetern und der durchschnittlichen Länge der Wicklung/Spule in Metern (1) ermittelt, sodass: L = (N²·μ·A/l).
In Schritt 102F von 2 ist die Steuerung 40 so konfiguriert, dass der schnelle Widerstandsfaktor (r_H) mindestens teilweise anhand der zweiten Funktion (F₂), der dritten Funktion (F₃), der vierten Funktion (F₄) und der fünften Funktion ermittelt wird, sodass: r_H = [1/(2·F₂)][2·F₃ – (3·F₄·F₅)].
In Schritt 104 von 2 kann die Steuerung 40 konfiguriert sein, um einen niedrigen Widerstandsfaktor (r_L) für die Statorwicklungen zu ermitteln, mindestens teilweise beruhend auf einem vordefinierten Drahtkoeffizienten (α), einem gemessenen Statorwiderstand (r₀) bei einer vordefinierten Messtemperatur (t₀), einer Temperaturdifferenz zwischen der Statorwicklungstemperatur (t_S) und einer vordefinierten Messtemperatur (t₀), sodass: r₂ = [r₀(1 + α·(t_S – t₀)] ist. Der niedrige Widerstandsfaktor (r_L) sorgt für die Variation im Statorwiderstand, wenn die Rotordrehzahl (ω) relativ niedrig ist.
In Schritt 106 von 2 ist die Steuerung 40 so konfiguriert, dass ein Gesamtwiderstandswert (R) für die Statorwicklungen mindestens teilweise anhand eines Gewichtungsfaktors (k) und des ersten und niedrigen Widerstandfaktors ermittelt wird, sodass: R = [k·r_H + (1 – k)·r_L] und 0 < k < 1.
Der Wichtungsfaktor (k) kann eins sein, wenn die Rotordrehzahl (ω) bei oder über einer vordefinierten hohen Drehzahlschwelle (z. B. ω > 5000 U/min) liegt. Der Wichtungsfaktor (k) kann null sein, wenn die Rotordrehzahl (ω) bei oder unter einer vordefinierten niedrigen Drehzahlschwelle (z. B. ω < 3000 U/min) liegt.
Zusammenfassend ermittelt das durch die Steuerung 40 vorgenommene Verfahren 100 den Statorwicklungswiderstand bei hohen Motordrehzahlen entsprechend dem Drehmomentbefehl (T*), der die Wirkung des AC-Widerstands beinhaltet, der sich bekanntlich mit der Statorwicklungstemperatur ändert. Das Verfahren 100 nutzt magnetischen Fluss (von einem Magnetflusssensor 50 oder einem FE-Berechnungsmodell) und die Differenz zwischen zwei unabhängigen Drehmomentschätzungen, wie zum Beispiel strombasierte (Flusskarte) und aktive leistungsbasierte Drehmomentschätzungen. Die Variation des Statorwiderstands ist bei hoher Geschwindigkeit nichtlinear und variiert je nach Betriebstemperatur und Strom. Eine genaue Echtzeitschätzung des Statorwicklungswiderstands ermöglicht eine bessere Nutzung der verfügbaren DC-Kommunikation (wie beispielsweise durch ein Batteriepaket 56 bereitgestellt), wodurch Drehmomentspitze und Motorwirkungsgrad erhöht werden.
Die Steuerung 40 (und die Umsetzung von Verfahren 100) verbessert die Funktionsweise der Baugruppe 10 durch die Bestimmung des Statorwicklungswiderstands eines komplexen Systems mit minimalen Kalibrierungsanforderungen. Die Steuerung 40 von 1 kann ein integraler Bestandteil von bzw. ein separates Modul sein, das mit anderen Steuerungen der Baugruppe 10 operativ verbunden ist.
Die Steuerung 40 beinhaltet von 1 beinhaltet ein computerlesbares Medium (auch als prozessorlesbares Medium bezeichnet), einschließlich aller nicht-transitorischen (z. B. konkreten) Medien, die an der Bereitstellung von Daten (z. B. Anweisungen) beteiligt sind, die von einem Computer gelesen werden könnten (z. B. durch den Prozessor eines Computers). Ein solches Medium kann in einem beliebigen Format vorliegen, einschließlich aber nicht beschränkt auf nichtflüchtige Medien und flüchtige Medien. Nichtflüchtige Medien können beispielsweise optische oder magnetische Disketten und andere persistente Speicher sein. Flüchtige Medien können zum Beispiel dynamische Direktzugriffsspeicher (DRAM) umfassen, die einen Hauptspeicher darstellen können. Derartige Anweisungen können von einem oder mehreren Übertragungsmedien, einschließlich Koaxialkabel, Kupferdraht und Faseroptik übertragen werden, einschließlich der Drähte, die einen mit dem Prozessor gekoppelten Systembus beinhalten. Einige Formen von einem Computer lesbarer Medien beinhalten beispielsweise eine Floppy Disk, eine flexible Platte, Festplatte, Magnetband, ein anderes magnetisches Medium, eine CD-ROM, DVD, ein anderes optisches Medium, Lochkarten, Lochstreifen, ein anderes physisches Medium mit Lochmustern, einen RAM, einen PROM, einen EPROM, einen FLASH-EEPROM, einen anderen Speicherchip oder eine Speicherkassette oder ein anderes Medium, von dem ein Computer lesen kann.
Nachschlagetabellen, Datenbanken, Datendepots oder andere hier beschriebene Datenspeicher können verschiedene Arten von Mechanismen zur Speicherung, zum Zugriff und zum Abrufen verschiedener Arten von Daten beinhalten, einschließlich einer hierarchischen Datenbank, eines Satzes von Dateien in einem Dateisystem, einer Anwendungsdatenbank in einem proprietären Format, eines relationalen Datenbankverwaltungssystems (RDBMS) usw. Jeder dieser Datenspeicher kann in einem Computergerät beinhaltet sein, das ein Computerbetriebssystem, wie beispielsweise eines der vorstehend aufgeführten, einsetzt und auf das über ein Netzwerk in einer oder mehreren der Vielzahl von Arten zugegriffen werden kann. Ein Dateisystem kann durch ein Computerbetriebssystem zugänglich sein und Dateien beinhalten, die in verschiedenen Formaten gespeichert sind. Ein RDBMS kann zusätzlich zu einer Sprache zum Erstellen, Speichern, Bearbeiten und Ausführen gespeicherter Prozeduren, wie beispielsweise die oben aufgeführte PL/SQL-Sprache, die Structured Query Language (SQL) einsetzen.
Die detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren unterstützen und beschreiben die Offenbarung, der Umfang der Offenbarung wird jedoch einzig und allein durch die Patentansprüche definiert. Während einige der besten Arten und Weisen und weitere Ausführungsformen der beanspruchten Offenbarung ausführlich beschrieben wurden, gibt es verschiedene alternative Ausgestaltungen und Ausführungsformen zur Umsetzung der in den beigefügten Ansprüchen definierten Offenbarung. Darüber hinaus sollen die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen oder die Merkmale von verschiedenen Ausführungsformen, die in der vorliegenden Beschreibung erwähnt sind, nicht unbedingt als voneinander unabhängige Ausführungsformen aufgefasst werden. Vielmehr ist es möglich, dass jedes der in einem der Beispiele einer Ausführungsform beschriebenen Merkmale mit einem oder einer Vielzahl von anderen gewünschten Merkmalen aus anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, was andere Ausführungsformen zur Folge hat, die nicht in Worten oder durch Bezugnahme auf Zeichnungen beschrieben sind. Dementsprechend fallen derartige andere Ausführungsformen in den Rahmen des Schutzumfangs der angehängten Ansprüche.

Claims

Elektromotor, Folgendes umfassend: einen Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor, der Stator mit Statorwicklungen bei einer Statorwicklungstemperatur (t_S) und der Rotor so konfiguriert, dass er mit einer Rotorgeschwindigkeit (ω) dreht; worin der Elektromotor eine Anzahl von Polpaaren (P) definiert; eine Steuerung, die operativ mit dem Elektromotor verbunden und so konfiguriert ist, dass er eine Drehmomentanforderung (T*) empfängt, worin das Steuern mit einem Prozessor und einem physischen, nichtflächigen Speicher ausgestattet ist, in dem Anweisungen zur Ausführung eines Verfahrens zur Bestimmung des Statorwicklungswiderstands festgehalten sind; und worin das Ausführen der Anweisungen des Prozessors die Steuerung veranlasst, einen schnellen Widerstandsfaktor (r_H) für die Statorwicklungen festzulegen, wobei der schnelle Widerstandsfaktor (r_H) mindestens teilweise auf dem Drehmomentbefehl (T*) der Statorwicklungstemperatur (t_S), der Rotordrehzahl (ω) und der Polpaarzahl (P) beruht.
Baugruppe nach Anspruch 1, worin das Steuern ferner so konfiguriert sein kann, dass ein niedriger Widerstandsfaktor (r_L) für die Statorwicklungen festgelegt wird, mindestens teilweise beruhend auf einem vordefinierten Drahtkoeffizienten (α), einem bei einer vordefinierten Messtemperatur (t₀ gemessenen Statorwiderstand (r₀), einer Temperaturdifferenz zwischen der Statorwicklungstemperatur (t_S) und einer vordefinierten Messtemperatur (t₀), sodass: r_L = [r₀(1 + α·(t_S – t₀)].
Baugruppe nach Anspruch 2, worin das Steuern außerdem konfiguriert ist, um einen Gesamtwiderstand (R) für die Statorwicklungen mindestens teilweise basierend auf einem Gewichtungsfaktor (k), dem schnellen Widerstandsfaktor (r_H) und dem Widerstandsfaktor (r_L) festzulegen, sodass: R = [k·r_H + (1 – k)·r_L] und 0 ≤ k ≤ 1.
Vorrichtung nach Anspruch 3, worin: der Wichtungsfaktor (k) eins ist, wenn die Rotordrehzahl (ω) über einer vordefinierten hohen Geschwindigkeitsschwelle liegt; und der Wichtungsfaktor (k) eins ist, wenn die Rotordrehzahl (ω) unter einer vordefinierten niedrigen Geschwindigkeitsschwelle liegt.
Baugruppe nach Anspruch 1, worin das Bestimmen des schnellen Widerstandsfaktors (r_H) Folgendes beinhaltend: das Ermitteln einer ersten Funktion (F₁) über die Steuerung, als Produkt eines Kennfeldfaktors und des Drehmomentbefehls (T*), worin der Kennfeldfaktor mindestens teilweise auf der Rotordrehzahl (ω), der Statorwicklungstemperatur (t_S) und einem gekennzeichneten Drehmomentfehler beruht; und worin der gekennzeichnete Drehmomentfehler als Differenz zwischen zwei beliebigen unabhängigen Schätzungen des vom Motor erzeugten Drehmoments definiert ist.
Baugruppe nach Anspruch 5, worin das Bestimmen des schnellen Widerstandsfaktors (r_H) Folgendes beinhaltet: das Ermitteln einer zweiten Funktion (F₂) über die Steuerung, als Summe der ersten Funktion (F₁), eines an einer Rotortemperatur erreichten Drehmoments (T_a) und einer vordefinierten ersten Konstante (Y), sodass: F₂ = (F₁ + T_a + Y).
Baugruppe nach Anspruch 6, worin das Bestimmen des schnellen Widerstandsfaktors (r_H) Folgendes beinhaltet: das Ermitteln einer dritten Funktion (F₃) über die Steuerung, als Produkt eines Statorwicklungswiderstands (r_C) bei einer Ausgangstemperatur und eines an der Ausgangstemperatur erreichten Drehmoments (T_C), sodass: F₃ = (T_C·r_C).
Baugruppe nach Anspruch 7, worin das Bestimmen des schnellen Widerstandsfaktors (r_H) Folgendes beinhaltet: Ermittlung einer vierten Funktion (F₄) über die Steuerung, als eine Differenz zwischen dem Magnetfluss (ψ_tr) bei Rotortemperatur und dem Magnetfluss (ψ_C) bei Ausgangstemperatur, sodass: F₄ = (ψ_tr – ψ_C).
Baugruppe nach Anspruch 8, worin das Bestimmen des schnellen Widerstandsfaktors (r_H) Folgendes beinhaltet: das Ermitteln einer fünften Funktion (F₅) über die Steuerung, als Produkt des Polpaars (P), der Rotordrehzahl (ω), eines angewiesenen Stroms (i * / d) und eines Induktivitätsfaktors (L_d0) sodass: F₅ = [P·Ω·i * / d·L_d0].
Baugruppe nach Anspruch 9, worin das Bestimmen des schnellen Widerstandsfaktors (r_H) das Ermitteln des schnellen Widerstandsfaktors (r_H) beinhaltet, mindestens teilweise basierend auf der zweiten Funktion (F₂), der dritten Funktion (F₃), der vierten Funktion (F₄) und der fünften Funktion (F₅), sodass: r_H= [1/(2·F₂)][2·F₃ – (3·F₄·F₅)].