DE102016120914A1

DE102016120914A1 - Bestimmung des permanentmagnetischen Flusses in einem Elektromotor

Info

Publication number: DE102016120914A1
Application number: DE102016120914.7A
Authority: DE
Inventors: Dwarakanath V. Simili; Jihoon Jang
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2015-11-04
Filing date: 2016-11-02
Publication date: 2017-05-04
Anticipated expiration: 2036-11-03
Also published as: CN106685292A; US20170126167A1; DE102016120914B4; US9755567B2; CN106685292B

Abstract

Ein Elektromotor besteht aus einem Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor. Der Rotor hat eine Rotortemperatur und ist konfiguriert, um sich mit einer Rotorgeschwindigkeit (ω) zu drehen. Der Stator weist Statorwicklungen bei einer Statorwicklungstemperatur (tS) auf und der Elektromotor definiert eine Anzahl von Polpaaren (P). Eine Steuerung ist operativ mit dem Elektromotor verbunden und so konfiguriert, dass sie einen Drehmomentbefehl (T*) empfängt. Die Steuerung ist mit einem Prozessor und einem physischen, nichtflüchtigen Speicher ausgestattet, in dem Anweisungen zur Ausführung eines Verfahrens zur Bestimmung des gesamten permanentmagnetischen Flusses (ψT) als Funktion der Rotortemperatur aufgezeichnet sind. Die Ausführung der Anweisungen durch den Prozessor veranlasst die Steuerung einen magnetischen Hochgeschwindigkeits-Flussfaktor (ψH) und einen magnetischen Niedriggeschwindigkeits-Flussfaktor (ψL) zu ermitteln.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft im Allgemeinen die Bestimmung des permanentmagnetischen Flusses in der Baugruppe eines Elektromotors.
HINTERGRUND
Ein Elektromotor, wie beispielsweise ein eingebetteter Permanentmagnetmotor, beinhaltet einen Rotor mit einer Vielzahl von Permanentmagneten mit wechselnder Polarität. Der Rotor ist innerhalb eines Stators drehbar, der im Allgemeinen mehrere Statorwicklungen und magnetische Pole wechselnder Polarität beinhaltet. Der magnetische Fluss des Permanentmagneten variiert bei Normalbetrieb mit der Rotortemperatur.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Elektromotor besteht aus einem Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor. Der Rotor hat eine Rotortemperatur und ist konfiguriert, um sich mit einer Rotorgeschwindigkeit (ω) zu drehen. Der Stator weist Statorwicklungen bei einer Statorwicklungstemperatur (t_S) auf und der Elektromotor definiert eine Anzahl von Polpaaren (P). Eine Steuerung ist operativ mit dem Elektromotor verbunden und so konfiguriert, dass sie einen Drehmomentbefehl (T*) empfängt. Die Steuerung ist mit einem Prozessor und einem physischen, nichtflüchtigen Speicher ausgestattet, in dem Anweisungen zur Ausführung eines Verfahrens zur Bestimmung des gesamten permanentmagnetischen Flusses (ψ_T) als Funktion der Rotortemperatur aufgezeichnet sind. Die Ausführung der Anweisungen durch den Prozessor veranlasst die Steuerung einen magnetischen Hochgeschwindigkeits-Flussfaktor (ψ_H) und einen magnetischen Niedriggeschwindigkeits-Flussfaktor (ψ_L) zu ermitteln. Die Steuerung kann mindestens einen Betriebsparameter des Elektromotors steuern, mindestens teilweise basierend auf dem gesamten permanentmagnetischen Fluss (ψ_T), um eine verbesserte Leistung und/oder Effizienz zu erreichen.
Der gesamte permanentmagnetische Fluss (ψ_gesamt) basiert mindestens teilweise auf einem Gewichtungsfaktor (k), dem magnetischen Hochgeschwindigkeits-Flussfaktor (ψ_H) und dem magnetischen Niedriggeschwindigkeits-Flussfaktor (ψ_L), so dass: ψ_gesamt = [k·ψ_H + (1 – k)·ψ_L] und 0 < k < 1. Der Wichtungsfaktor (k) ist eins, wenn die Rotordrehzahl (ω) über einer vordefinierten hohen Geschwindigkeitsschwelle liegt. Der Wichtungsfaktor (k) ist Null, wenn die Rotordrehzahl (ω) unter einer vordefinierten niedrigen Geschwindigkeitsschwelle liegt.
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 misst. Das Verfahren verwendet zwei unabhängige Drehmomentschätzungen, wie beispielsweise die Verwendung von strombasierten (Flusskarte) und aktiven leistungsbasierten Schätzungen.
Die Bestimmung des gesamten permanentmagnetischen Flusses (ψ_T) 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 unabhängigen Schätzungen des vom Elektromotor 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).
Der Niedriggeschwindigkeits-Flussfaktor (ψ_L) kann mindestens teilweise basierend auf der zweiten Funktion (F₂), dem Magnetfluss (ψ_C) bei Baselinetemperatur, einem bei der Baselinetemperatur erreichtem Drehmoment (T_C), einer dritten Funktion (F₃) und einer vierten Funktion (F₄) erreicht werden, derart, dass: ψL = ΨC – [(2·(T_C – F₂)·F₃)/(3·F₄)]. Die dritte Funktion (F₃) ist ein Verhältnis des Statorwicklungswiderstands (r_C) bei einer Baselinetemperatur und einem Statorwicklungswiderstand (r_ts) bei der Statorwicklungstemperatur (t_S), sodass: F₃ = (r_C/r_ts). Die vierte Funktion (F₄) ist ein Produkt des Polpaars (P) und einem angewiesenen Strom (i * / d) , sodass: F₄ = [P·i * / d].
Der Hochgeschwindigkeits-Flussfaktor (ψ_H) kann mindestens teilweise basierend auf der zweiten Funktion (F₂), dem Magnetfluss (ψ_C) bei Baselinetemperatur, eines Statorwicklungswiderstands (r_ts) bei der Statorwicklungstemperatur (t_S), einer fünften Funktion (F₅) und einer sechsten Funktion (F₆) erhalten werden, so dass: ψ_L = ψ_C + {2·[F₅ – (r_ts·F₂)]/(3·F₆)}. Die fünfte Funktion (F₅) ist ein Produkt aus dem Statorwicklungswiderstand (r_C) bei einer Baselinetemperatur und einem bei der Baselinetemperatur erzielten Drehmoment (T_C), so dass: F₅ = (r_C·T_C). Die sechste Funktion (F₆) ist ein Produkt aus dem Polpaar (P), der Rotordrehzahl (ω), einem angewiesenen Strom (i * / d) und einem Induktivitätsfaktor (L_d0), so dass: F₆ = [P·ω·i * / d·L_d0].
Eine genaue Echtzeitschätzung des magnetischen Flusses ist eine Grundvoraussetzung für zahlreiche Eigenschaften zur Verbesserung des Betriebs des Elektromotors. Das Verfahren beinhaltet des Weiteren die Steuerung oder Anpassung der Betriebsparameter des Elektromotors, über die Steuerung, basierend auf dem gesamten permanentmagnetischen Fluss (ψ_T), um eine verbesserte Leistung und/oder Effizienz zu erreichen. Beispielsweise können die Strombefehle für den Elektromotor modifiziert werden, basierend auf der Rotortemperatur, um den Wirkungsgrad zu maximieren. Der Elektromotor kann basierend auf dem gesamten permanentmagnetischen Fluss (ψ_T) gesteuert werden, um eine besseren Hochgeschwindigkeits-Stromregelung und eine verbesserte Linearität des Motormoments zu erzielen. Die Steuerung kann konfiguriert sein, um die Betriebsparameter des Elektromotors basierend auf dem gesamten permanentmagnetischen Fluss (ψ_T) anzupassen, um eine Vielzahl von Zielen zu unterstützen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, das Überwachen des Funktionszustands der Dauermagnete (wie Bestimmen von mit Ermüdung/ Demagnetisierung zusammenhängenden Eigenschaften) und Verbesserung der Diagnose/Motor-Fehlerreaktionsstrategien (wie Schätzung der dreiphasigen Kurzschlussströme).
Die oben genannten Funktionen und Vorteile sowie andere Funktionen und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung der bestmöglichen praktischen Umsetzung der dargestellten Erfindung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen hervor.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine fragmentarische schematische Teil-Schnittdarstellung der Baugruppe eines Elektromotors mit einem Elektromotor, der einen Stator und einen Rotor hat;
2 ist ein Flussdiagramm für ein Verfahren zur Bestimmung eines gesamten permanentmagnetischen Flusses für den Motor 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 eine Transportvorrichtung mit einem oder mehreren Rädern sein, wie ein Fahrrad, Personenkraftwagen, Leistungsfahrzeug, militärisches Fahrzeug, Industriefahrzeug. Die Vorrichtung 11 kann ein Roboter, ein landwirtschaftliches Gerät, eine 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. Die magnetischen Flusslinien des ersten und zweiten Dauermagneten 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 aufgezeichneten Anweisungen zur Umsetzung von Verfahren 100, dargestellt in 2, zum Bestimmen des gesamten magnetischen Flusses (ψ_gesamt), einschließlich zum Bestimmen eines Hochgeschwindigkeits-Flussfaktors (ψ_H) und eines Niedriggeschwindigkeits-Flussfaktors (ψ_L, erfasst werden. Der Speicher 44 kann von der Steuerung ausführbare Anweisungssätze speichern und der Prozessor 42 kann einen auf dem Speicher 44 gespeicherten von der Steuerung ausführbaren Anweisungssatz ausführen.
Viele Parameterschätzverfahren verwenden kleinste Quadrate-/ Regressionsmodelle oder Beobachter-basierte Ansätze, die die Rechnerleistung beeinflussen und einen umfangreichen Kalibrierungsaufwand erfordern. Zusätzlich haben Fluss-Beobachter-basierte Ansätze Einschränkungen bei niedriger Drehzahl und erhöhen die Rechnerkapazitäten. Andere Verfahren verwenden Nachschlagetabellen des FEA-basierten magnetischen Flusses als Funktion der Temperatur, diese decken aber nicht die auf der Herstellung basierenden Toleranzen ab, und zur Auswertung der Genauigkeit müssen mehrere gegenelektromotorische Kraft(BEMF)-Tests bei unterschiedlichen Temperaturen vorgenommen werden.
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 einen ersten Temperatursensor 46 (wie einen Thermistor oder ein Thermoelement) beinhalten, der bzw. das in Kommunikation (z. B. elektronischer Kommunikation) mit der Steuerung 40 steht. 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. Alternativ, können sensorlose Schätzverfahren der Rotortemperatur verwendet werden, die Fachleuten bekannt sind
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 kann den vom Elektromotor 12 ausgehenden Magnetfluss bei einer Baselinetemperatur (beispielsweise bei 90 °C) messen, und Eingabesignale an die Steuerung 40 senden. 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.
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 zwei unabhängige Motordrehmoment-Schätzungen, wie strombasierte (Flusskarte) und aktive leistungsbasierte Schätzungen.
Bezugnehmend auf 2 kann das Verfahren 100 mit Schritt 102 beginnen, wo die Steuerung 40 so programmiert oder konfiguriert ist, 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. Batteriepaket 56 kann operativ mit dem Motor 12 als Stromquelle für Gleichspannung verbunden werden.
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 104 von 2 ist die Steuerung 40 so konfiguriert, dass eine zweite Funktion (F₂) als Summe der ersten Funktion (F₁) und eines an einer Rotortemperatur erreichten Drehmoments (T_a) und einer vorgegebenen ersten Konstante (Y) 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 106 von 2 ist die Steuerung 40 so konfiguriert, dass man den Niedriggeschwindigkeits-Flussfaktor (ψ_L) erhält. Schritt 106 beinhaltet die Unterschritte 106A-C. In Schritt 106A von 2 ist die Steuerung 40 so konfiguriert, dass man eine dritte Funktion (F₃) erhält, als Verhältnis des Statorwicklungswiderstands (r_C) bei einer Baselinetemperatur und eines Statorwicklungswiderstands (r_ts) bei der Statorwicklungstemperatur (t_S), sodass: F₃ = (r_C/r_ts).
In Schritt 106B von 2 wird die Steuerung 40 so konfiguriert, dass eine vierte Funktion (F₄) als Produkt des Polpaars (P) und des angewiesenen Stroms i * / q ermittelt wird, sodass: F₄ = [P·i * / q] . Die DQ-Bezugsrahmenströme (i_d, i_q) aus den erfassten Strömen des Motors 12 (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 Nachschlagetabellen ermittelt.
In Schritt 106C von 2, ist die Steuerung 40 konfiguriert, um den Niedriggeschwindigkeits-Flussfaktor (ψ_L), mindestens teilweise basierend auf der zweiten Funktion (F₂) (erhalten in Schritt 104), den Magnetfluss (ψ_C) an der Baselinetemperatur, ein bei der Baselinetemperatur erreichtes Drehmoment (T_C), die dritte Funktion (F₃) (erhalten in Schritt 106A) und die vierte Funktion (F₄) (erhalten in Schritt 106B) zu erhalten, sodass: ψ_L = ψ_C – [(2·(T_C – F₂)·F₃)/(3·F₄)].
Der ermittelte magnetische Fluss (ψ_C) und das ermittelte Drehmoment (T_C), beides bei der Baselinetemperatur, beispielsweise 90 Grad Celsius, können durch Messungen in einer Laboreinrichtung oder einer Testzelle erhalten werden, beispielsweise unter Verwendung des Magnetflusssensors 50.
In Schritt 108 von 2 ist die Steuerung 40 so konfiguriert, dass man den Hochgeschwindigkeits-Flussfaktor (ψ_H) erhält. Schritt 108 enthält Unterschritte 108A–C. In Schritt 108A von 2 ist die Steuerung 40 so konfiguriert, dass eine fünfte Funktion (F₅) ermittelt wird, als Produkt eines Statorwicklungswiderstands (r_C) an einer Baselinetemperatur (C), und eines an der Baselinetemperatur erreichten Drehmoments (T_C), sodass: F₅ = (r_C·T_C). Der ermittelte Statorwicklungswiderstand (r_C) und das ermittelte Drehmoment (T_C), jeweils bei Baselinetemperatur, z. B. bei 90 Grad Celsius, können von Fachleuten durch Messungen in Laboreinrichtungen oder einer Testzelle ermittelt werden.
In Schritt 108B von 2 wird die Steuerung 40 so konfiguriert, dass eine sechste Funktion (F₆) als Produkt des Polpaars (P), der Rotordrehzahl (ω), eines angewiesenen Stroms (i * / d) und eines Induktivitätsfaktors (L_d0) ermittelt wird, sodass: F₆ = [P·ω·i * / d·L_d0] . Wie oben darauf hingewiesen, können die angewiesenen Ströme (i * / d, i * / q) anhand des Drehmomentbefehls (T*) mittels Nachschlagetabellen ermittelt werden. 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 (l) ermittelt, sodass: L = (N²·µ·A/l).
In Schritt 108C von 2, ist die Steuerung 40 konfiguriert, um den Hochgeschwindigkeits-Flussfaktor (ψ_H), mindestens teilweise basierend auf der zweiten Funktion F₂) (erhalten in Schritt 104), den Magnetfluss (ψ_C) an der Baselinetemperatur, ein bei der Statorwicklungstemperatur (t_S) erreichter Statorwicklungswiderstand (r_ts), die fünfte Funktion (F₅) (erhalten in Schritt 108A) und die sechste Funktion (F₆) (erhalten in Schritt 108B) zu erhalten, sodass: ψ_L = ψ_C + {2·[F₅ – (r_ts·F₂)]/(3·F₆)}.
In Schritt 110 von 2 ist die Steuerung 40 konfiguriert, um den gesamten permanentmagnetischen Fluss (ψ_gesamt), mindestens teilweise basierend auf einem Gewichtungsfaktor (k), den magnetischen Hochgeschwindigkeits-Flussfaktor (ψ_H) und den magnetischen Niedriggeschwindigkeits-Flussfaktor (ψ_L) zu erhalten, so dass: ψ_gesamt = [k·ψ_H + (1 – k)·ψ_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.
Eine genaue Echtzeitschätzung des magnetischen Flusses ist eine Grundvoraussetzung für zahlreiche Eigenschaften zur Verbesserung des Betriebs des Elektromotors 12. Die Steuerung 40 kann mindestens einen Betriebsparameter des Elektromotors 12 steuern, mindestens teilweise basierend auf dem gesamten permanentmagnetischen Fluss (ψ_T), um eine verbesserte Leistung und/oder Effizienz zu erreichen. In anderen Worten kann das Verfahren 100 die Steuerung oder Anpassung der Betriebsparameter des Elektromotors 12 beinhalten, über die Steuerung 40, basierend auf dem gesamten permanentmagnetischen Fluss (ψ_T), um eine verbesserte Leistung und/oder Effizienz zu erreichen. Beispielsweise können die Strombefehle für den Elektromotor 12 modifiziert werden, basierend auf der Rotortemperatur, um den Wirkungsgrad zu maximieren. Der Elektromotor 12 kann basierend auf dem gesamten permanentmagnetischen Fluss (ψ_T) gesteuert werden, um eine bessere Hochgeschwindigkeits-Stromregelung und eine verbesserte Linearität des Motormoments zu erzielen. Die Steuerung 40 kann konfiguriert sein, um die Betriebsparameter des Elektromotors 12 basierend auf dem gesamten permanentmagnetischen Fluss (ψ_T) anzupassen, um den Funktionszustand der Dauermagnete zu überwachen (wie Bestimmen von mit Ermüdung/ Demagnetisierung zusammenhängenden Eigenschaften) und die Diagnose/ Motor-Fehlerreaktionsstrategien (wie Schätzung der dreiphasigen Kurzschlussströme) zu verbessern.
Zusammenfassend wird durch die Ausführung des Verfahrens 100 durch die Steuerung 40 der gesamte permanentmagnetische Fluss (ψ_gesamt) entsprechend dem Drehmomentbefehl (T*) ermittelt. Das Verfahren 100 nutzt die Differenz zwischen zwei unabhängigen Drehmomentschätzungen, wie zum Beispiel strombasierte (Flusskarte) und aktive leistungsbasierte Drehmomentschätzungen, wobei eine minimale Kalibrierung erforderlich ist.
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 ein paar der besten Arten und weitere Ausführungsformen der beanspruchten Offenbarung ausführlich beschrieben wurden, gibt es verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zur Umsetzung der Offenbarung in den angehängten Ansprüchen. 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

Baugruppe eines Elektromotors, Folgendes umfassend: einen Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor, der Rotor mit einer Rotortemperatur und so konfiguriert, dass er mit einer Rotorgeschwindigkeit (ω) dreht; Worin der Stator Statorwicklungen bei einer Statorwicklungstemperatur (t_S) aufweist und der Elektromotor eine Anzahl von Polpaaren (P) definiert; eine Steuerung, die operativ mit dem Elektromotor verbunden und so konfiguriert ist, dass sie eine Drehmomentanforderung (T*) empfängt, worin die Steuerung einen Prozessor und einen greifbaren, nicht-vorübergehenden Speicher hat, in dem Anweisungen zur Ausführung eines Verfahrens zur Bestimmung eines gesamten permanentmagnetischen Flusses (ψ_T) als eine Funktion der Rotortemperatur aufgezeichnet werden, die Ausführung der Anweisungen durch den Prozessor dazu führen, dass die Steuerung einen Hochgeschwindigkeits-Flussfaktor (ψ_H) und einen Niedriggeschwindigkeits-Flussfaktor (ψ_L) bestimmt; und worin die Steuerung mindestens einen Betriebsparameter des Elektromotors steuern kann, mindestens teilweise basierend auf dem gesamten permanentmagnetischen Fluss (ψ_T).
Baugruppe nach Anspruch 1, worin: der gesamte permanentmagnetische Fluss (ψ_T) mindestens teilweise auf einem Gewichtungsfaktor (k), dem magnetischen Hochgeschwindigkeits-Flussfaktor (ψ_H) und dem magnetischen Niedriggeschwindigkeits-Flussfaktor (ψ_L) basiert, so dass: ψ_T = [k·ψ_H + (1 – k)·ψ_L] and 0 < k < 1; 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 die Ermittlung des gesamten permanentmagnetischen Flusses (ψ_T) beinhaltet: 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 eine Differenz zwischen zwei unabhängigen Schätzungen des vom Motor erzeugten Drehmoments definiert ist.
Baugruppe nach Anspruch 3, worin das Bestimmen des gesamten permanentmagnetischen Flusses (ψ_T) 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 4, worin die Ermittlung des gesamten permanentmagnetischen Flusses (ψ_T) beinhaltet: Ermitteln des Niedriggeschwindigkeits-Flussfaktors (ψ_L), mindestens teilweise basierend auf der zweiten Funktion (F₂), dem Magnetfluss (ψ_C) bei Baselinetemperatur, einem bei der Baselinetemperatur erreichtem Drehmoment (T_C), einer dritten Funktion (F₃) und einer vierten Funktion (F₄), derart, dass: ψ_L = ψ_C – [(2·(T_C – F₂)·F₃)/(3·F₄)].
Baugruppe nach Anspruch 5, worin die dritte Funktion (F₃) ein Verhältnis des Statorwicklungswiderstands (r_C) bei einer Baselinetemperatur und einem Statorwicklungswiderstand (r_ts) bei der Statorwicklungstemperatur (t_S) ist, sodass: F₃ = (r_C/r_ts).
Baugruppe nach Anspruch 6, worin die vierte Funktion (F₄) ein Produkt des Polpaars (P) und einem angewiesenen Strom (i * / d) ist, sodass: F₄ = [P·i * / q].
Baugruppe nach Anspruch 4, worin die Ermittlung des gesamten permanentmagnetischen Flusses (ψ_T) beinhaltet: Ermitteln des Hochgeschwindigkeits-Flussfaktors (ψ_H), mindestens teilweise basierend auf der zweiten Funktion (F₂), dem Magnetfluss (ψ_C) bei Baselinetemperatur, eines Statorwicklungswiderstands (r_ts) bei der Statorwicklungstemperatur (t_S), einer fünften Funktion (F₅) und einer sechsten Funktion (F₆), so dass: ψ_L = ψ_C + {2·[F₅ – (r_ts·F₂)]/(3·F₆)}.
Baugruppe nach Anspruch 8, worin die fünfte Funktion (F₅) ein Produkt eines Statorwicklungswiderstands (r_C) bei einer Baselinetemperatur und eines bei der Baselinetemperatur erreichten Drehmoments (T_C) ist, sodass: F₅ = (r_C·T_C).
Baugruppe nach Anspruch 9, worin die sechste Funktion (F₆) ein Produkt aus dem Polpaar (P), der Rotordrehzahl (ω), einem angewiesenen Strom (i * / d) und einem Induktivitätsfaktor (L_d0) ist, so dass: F₆ = [P·ω·i * / d·L_d0].