DE102017003610A1 - Method for determining temperatures in an electrical machine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Temperaturen (T) in einer elektrischen Maschine (1), umfassend einen Rotor (R) und einen Stator (S), umfassend Stator-Eisen (Fe) und Stator-Wicklungen (W) sowie ein Kühlsystem (2) mit Kühlöl, wobei sich in der elektrischen Maschine (1) zudem Luft (L) befindet, wobei der Rotor (R) Rotor-Eisen und mindestens einen Permanentmagneten umfasst, wobei die Temperaturen (T) mittels eines Wärmebilanzmodells umfassend mindestens drei Wärmebilanzräume (W1, W2, W3) für Stator-Eisen (Fe), Stator-Wicklungen (W) und Rotor (R) simuliert werden, wobei eine Wärmestrombilanz für jeden der Wärmebilanzräume (W1, W2, W3) nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik unter Berücksichtigung von Verlusten (PVFe, PVW, PVR), kühlenden Temperaturen (TOil, TOil(KO)) von Kühlmedien, Wärmeübergangswiderständen (RFeWvirt, RFeRvirt, RWRvirt) sowie von Wärmekapazitäten (CFe, CW, CR) erstellt wird.The invention relates to a method for determining temperatures (T) in an electrical machine (1), comprising a rotor (R) and a stator (S) comprising stator iron (Fe) and stator windings (W) and a cooling system (2) with cooling oil, wherein in the electric machine (1) also air (L) is located, wherein the rotor (R) rotor-iron and at least one permanent magnet, wherein the temperatures (T) by means of a heat balance model comprising at least three heat balance spaces (W1, W2, W3) are simulated for stator iron (Fe), stator windings (W) and rotor (R), with a heat flow balance for each of the heat balance spaces (W1, W2, W3) according to the first law of thermodynamics Consideration of losses (PVFe, PVW, PVR), cooling temperatures (TOil, TOil (KO)) of cooling media, heat transfer resistances (RFeWvirt, RFeRvirt, RWRvirt) as well as heat capacities (CFe, CW, CR).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Temperaturen in einer elektrischen Maschine, insbesondere einer permanenterregten Synchronmaschine, beispielsweise für einen Fahrantrieb eines Kraftfahrzeugs.The invention relates to a method for determining temperatures in an electrical machine, in particular a permanent-magnet synchronous machine, for example for a traction drive of a motor vehicle.
Permanenterregte Synchronmaschinen sind elektrische Maschinen, die meist an einem gehäusefesten Teil Statorwicklungen und Statorbleche sowie an einem sich bewegenden/rotierenden Teil des Motors einen oder mehrere Permanentmagneten aufweisen, beispielsweise Neodym-Eisen-Bor-Magnete, Samarium-Cobalt-Magnete oder sonstige Dauermagnete.Permanently excited synchronous machines are electrical machines which usually have one or more permanent magnets on a housing-fixed part of stator windings and stator laminations and on a moving / rotating part of the motor, for example neodymium-iron-boron magnets, samarium-cobalt magnets or other permanent magnets.
Temperatursensoren für elektrische Maschinen in elektrischen Antrieben werden auf Grund der Kosten, des Platzbedarfs und der Zuverlässigkeit so sparsam wie möglich eingesetzt. Insbesondere stehen für rotierende Elemente auf Grund der Kosten und der zu geringen Haltbarkeit keine geeigneten Sensoren für den Serieneinsatz zur Verfügung.Temperature sensors for electric machines in electric drives are used as economically as possible because of the costs, the space required and the reliability. In particular, no suitable sensors for series production are available for rotating elements due to the costs and the insufficient durability.
Zur Optimierung der Lebensdauer, der Diagnostizierbarkeit und der Verfügbarkeit von elektrischen Maschinen sind Temperaturinformationen von Stator und Rotor jedoch wünschenswert.However, to optimize the life, diagnosability, and availability of electrical machines, stator and rotor temperature information is desirable.
Es ist bekannt, die Rotortemperatur auf Basis der Spannungs-Gleichungen (ud, uq) zu schätzen. Dies ist jedoch nur unter eng bestimmten Bedingungen möglich.It is known to estimate the rotor temperature based on the voltage equations (u d , u q ). However, this is only possible under tight conditions.
Es ist weiter bekannt, eine Vielzahl von Temperaturen in der elektrischen Maschine mit Hilfe von auf FEM (Finite Elemente Methode) basierenden Wärmebilanzmodellen detailliert zu bestimmen. Diese Verfahren sind jedoch aufgrund ihrer Komplexität nicht für den On-Board-Einsatz in Steuergeräten von Kraftfahrzeugen geeignet.It is also known to determine a plurality of temperatures in the electric machine in detail by means of FEM (Finite Element Method) based heat balance models. Due to their complexity, however, these methods are not suitable for on-board use in control units of motor vehicles.
Aus der
- – es erfolgt eine Temperaturmessung mit Temperatursensoren und folgenden kritischen Bauteilen: an einem Zwischenkreiskondensator, an dem Pulswechselrichter, an einem Schleifringsystem, an einem Leistungshalbleiter, an einem Mikrocontroller oder an einem ASIC (anwendungsspezifische integrierte Schaltung);
- – es erfolgt eine Temperaturberechnung der kritischen Bauteile mit nicht direkt messbaren Temperaturen über Temperaturmodelle;
- – es erfolgt eine Auswertung der gemessenen Temperaturen und der berechneten Temperaturen und deren Vergleich mit kritischen Temperaturen;
- – bei Erreichen der kritischen Temperatur an einem kritischen Bauteil erfolgt eine Zuordnung, welche Stellgröße die Temperatur des zu warmen Bauteils beeinflusst und
- – es erfolgt eine Regelung durch eine Änderung des Sollwertes einer oder mehrerer Stellgrößen, so dass die Temperatur des zu warmen Bauteils sinkt, wobei die jeweilige Stellgröße mit geändertem Sollwert die Eingangsgröße eines Mehrgrößenreglers ist und die Stellgrößen
- – im Pulswechselrichterbetrieb des Generators die Erreger- und die Phasenströme sind,
- – im Diodenbetrieb des Generators der Erregerstrom ist und
- – Starterbetrieb der elektrischen Maschine der Erregerstrom und die Phasenströme sind,
- – wobei bei Erreichen einer kritischen Temperatur der Startstrom und das Startmoment oder die zulässige Startzeit reduziert werden und der Start-Stopp-Betrieb der elektrischen Maschine unterbunden wird.
- A temperature measurement is carried out with temperature sensors and the following critical components: on a DC link capacitor, on the pulse inverter, on a slip ring system, on a power semiconductor, on a microcontroller or on an ASIC (application-specific integrated circuit);
- - There is a temperature calculation of the critical components with not directly measurable temperatures on temperature models;
- - there is an evaluation of the measured temperatures and the calculated temperatures and their comparison with critical temperatures;
- - Upon reaching the critical temperature of a critical component is an assignment, which manipulated variable affects the temperature of the component too warm and
- - There is a control by changing the setpoint of one or more control variables, so that the temperature of the component to warm drops, the respective manipulated variable with a changed setpoint is the input of a multi-variable controller and the manipulated variables
- In the pulse inverter operation of the generator, the excitation and the phase currents are,
- - In the diode mode of the generator, the excitation current is and
- - Starter operation of the electric machine, the excitation current and the phase currents are,
- - When reaching a critical temperature of the starting current and the starting torque or the allowable starting time can be reduced and the start-stop operation of the electric machine is suppressed.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren zur Ermittlung von Temperaturen in einer elektrischen Maschine anzugeben.The invention is based on the object to provide an improved method for determining temperatures in an electrical machine.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder 2.The object is achieved by a method having the features of
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Ermittlung von Temperaturen wird angewandt in einer elektrischen Maschine, umfassend einen Rotor und einen Stator, umfassend Stator-Eisen und Stator-Wicklungen sowie ein Kühlsystem mit Kühlöl, wobei sich in der elektrischen Maschine zudem Luft befindet, wobei der Rotor Rotor-Eisen und mindestens einen Permanentmagneten umfasst. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Temperaturen mittels eines Wärmebilanzmodells umfassend mindestens vier Wärmebilanzräume für Stator-Eisen, Stator-Wicklungen, Rotor und Luft simuliert, wobei eine Wärmestrombilanz für jeden der Wärmebilanzräume nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik unter Berücksichtigung von Verlusten in Stator-Eisen, Stator-Wicklungen und Rotor, kühlenden Temperaturen von Kühlmedien, Wärmeübergangswiderständen zwischen Stator-Eisen und Außenluft, zwischen Stator-Eisen und Luft, zwischen Stator-Eisen und Kühlöl, zwischen Stator-Eisen und Rotor, zwischen Stator-Eisen und Stator-Wicklungen, zwischen Rotor und Luft, zwischen Rotor und Kühlöl, zwischen Stator-Wicklungen und Luft und zwischen Stator-Wicklungen und Kühlöl, sowie von Wärmekapazitäten erstellt wird, wobei Verluste in den Stator-Wicklungen aus Stromwärmeverlusten unter Berücksichtigung von Widerstandsänderungen in Abhängigkeit von der modellierten Temperatur der Stator-Wicklungen sowie des Skin-Effekts berücksichtigt werden, wobei Verluste im Stator-Eisen aus Wärmeeinträgen aufgrund von Wirbelstromverlusten und Hystereseverlusten berechnet werden, wobei Verluste im Rotor aufgrund von Hystereseverlusten und Wirbelstromverlusten im Rotoreisen und Hystereseverlusten im Permanentmagneten berechnet werden. A method according to the invention for determining temperatures is used in an electrical machine, comprising a rotor and a stator, comprising stator iron and stator windings, and a cooling system with cooling oil, wherein air is also present in the electric machine, wherein the rotor Iron and at least one permanent magnet comprises. In one embodiment of the method according to the invention, the temperatures are simulated by means of a heat balance model comprising at least four heat balance spaces for stator iron, stator windings, rotor and air, wherein a heat flow balance for each of the heat balance rooms according to the first law of thermodynamics taking into account losses in stator Iron, stator windings and rotor, cooling temperatures of cooling media, heat transfer resistances between stator iron and outside air, between stator iron and air, between stator iron and cooling oil, between stator iron and rotor, between stator iron and stator windings , between rotor and air, between rotor and cooling oil, between stator windings and air and between stator windings and cooling oil, and heat capacity is created, with losses in the stator windings from current heat losses, taking into account resistance changes depending on the model The losses of the stator iron are calculated from heat inputs due to eddy current losses and hysteresis losses, losses in the rotor due to hysteresis losses and eddy current losses in the rotor iron and hysteresis losses in the permanent magnet are calculated.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden die Temperaturen mittels eines Wärmebilanzmodells umfassend drei Wärmebilanzräume für Stator-Eisen, Stator-Wicklungen und Rotor simuliert, wobei Wärmeübergangswiderstände zwischen Stator-Eisen und Luft, zwischen Rotor und Luft sowie zwischen Stator-Wicklungen und Luft mittels einer Stern-Dreieck-Transformation in virtuelle Wärmeübergangswiderstände umgerechnet werden, wobei ein Wärmeübergangswiderstand zwischen Stator-Eisen und Stator-Wicklungen mit einem dazu parallel geschalteten der virtuellen Wärmeübergangswiderstände zusammengefasst wird, wobei eine Wärmestrombilanz für jeden der Wärmebilanzräume nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik unter Berücksichtigung von Verlusten in Stator-Eisen, Stator-Wicklungen und Rotor, kühlenden Temperaturen von Kühlmedien, dem Wärmeübergangswiderstand zwischen Stator-Eisen und Kühlöl, dem Wärmeübergangswiderstand zwischen Rotor und Kühlöl, den virtuellen Wärmeübergangswiderständen sowie von Wärmekapazitäten erstellt wird, wobei Verluste in den Stator-Wicklungen aus Stromwärmeverlusten unter Berücksichtigung von Widerstandsänderungen in Abhängigkeit von der modellierten Temperatur der Stator-Wicklungen sowie des Skin-Effekts berücksichtigt werden, wobei Verluste im Stator-Eisen aus Wärmeeinträgen aufgrund von Wirbelstromverlusten und Hystereseverlusten berechnet werden, wobei Verluste im Rotor aufgrund von Hystereseverlusten und Wirbelstromverlusten im Rotoreisen und Hystereseverlusten im Permanentmagneten berechnet werden.According to a further embodiment of the method, the temperatures are simulated by means of a heat balance model comprising three heat balance spaces for stator iron, stator windings and rotor, wherein heat transfer resistances between stator iron and air, between rotor and air and between stator windings and air by means of a star -Thieck transformation into virtual heat transfer resistances are converted, wherein a heat transfer resistance between stator iron and stator windings is combined with a parallel to the virtual heat transfer resistors, a heat flow balance for each of the heat balance rooms according to the first law of thermodynamics taking into account losses in Stator iron, stator windings and rotor, cooling temperatures of cooling media, the heat transfer resistance between stator iron and cooling oil, the heat transfer resistance between rotor and cooling oil, the virtual Heat transfer resistors and heat capacities is created, taking into account losses in the stator windings from current heat losses taking into account resistance changes as a function of the modeled temperature of the stator windings and the skin effect, wherein losses in the stator iron from heat inputs due to eddy current losses and Hysteresis losses are calculated, whereby losses in the rotor due to hysteresis losses and eddy current losses in the rotor iron and hysteresis losses are calculated in the permanent magnet.
Die Temperaturen von Stator und Rotor werden mit Hilfe eines Wärmebilanzmodells simuliert, welches auf dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik beruht. Insbesondere wird die Struktur des Wärmebilanzmodells (Anzahl der Wärme-Bilanzräume) eigens für den On-Board-Einsatz reduziert. Die Parametrierung des Modells kann an Hand von Testprofilen (Prüfstand, Fahrzeug) und geeigneten Identifikations-Algorithmen erfolgen.The stator and rotor temperatures are simulated using a heat balance model based on the first law of thermodynamics. In particular, the structure of the heat balance model (number of heat balance rooms) is reduced specifically for on-board use. The parameterization of the model can be done on the basis of test profiles (test bench, vehicle) and suitable identification algorithms.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine Erhöhung der Lebensdauer durch effektiven Bauteilschutz für die elektrische Maschine durch Vermeidung thermischer Überlastung insbesondere bei hohen Leistungsanforderungen erreicht.By means of the method according to the invention, an increase in the service life is achieved by effective component protection for the electrical machine by avoiding thermal overload, in particular with high power requirements.
Weiter kann die Diagnosefähigkeit eines eventuell vorhandenen Stator-Temperatursensors durch Erkennung von Abweichungen zur Stator-Modelltemperatur verbessert werden.Furthermore, the diagnostic capability of a possibly existing stator temperature sensor can be improved by detecting deviations from the stator model temperature.
Die Verfügbarkeit kann bei Ausfall eines eventuell vorhandenen Stator-Temperatursensors durch Substitution mit der Stator-Modelltemperatur erhöht werden. Weiter ist eine Erhöhung der Leistung durch bessere Ausnutzung von Temperaturreserven und gegebenenfalls durch verbesserte Auslegung (Kühl-/Betriebsstrategie, Einsparung von Material und seltener Erden) möglich.The availability can be increased by substitution with the stator model temperature in case of failure of any existing stator temperature sensor. Further, an increase in performance through better utilization of temperature reserves and possibly by improved design (cooling / operating strategy, saving of material and rare earths) is possible.
Durch bedarfsgerechte Auslegung der elektrischen Maschine und der Betriebsstrategie durch Berücksichtigung der aus dem Verfahren rückgemeldeten Temperaturbelastungskollektive ist eine Optimierung von Kosten oder Zuverlässigkeit möglich. Beispiel hierfür ist die Einsparung seltener Erden.By appropriate design of the electrical machine and the operating strategy by taking into account the feedback from the process Temperaturbelastungskollektive an optimization of costs or reliability is possible. An example of this is the saving of rare earths.
Das Verfahren kann mittels eines in einer Steuereinheit eines Kraftfahrzeugs vorgesehenen Programms durchgeführt werden, das die benötigten Temperaturen ohne zusätzliche Hardware mit Hilfe eines Software-Simulationsmodells on-board berechnet.The method can be carried out by means of a program provided in a control unit of a motor vehicle, which calculates the required temperatures on-board without additional hardware with the aid of a software simulation model.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.
Dabei zeigen:Showing:
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.
Die elektrische Maschine
Die Temperaturen werden mit Hilfe eines Wärmebilanzmodells simuliert, welches auf dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik beruht, der auf vier Wärmebilanzräume angewandt wird: Wärmebilanzraum W1 für Stator-Eisen Fe, Wärmebilanzraum W2 für Stator-Wicklungen W, Wärmebilanzraum W3 für Rotor R und Wärmebilanzraum W4 für Luft L in der elektrischen Maschine
Ausgangspunkt bilden Differenzengleichungen, die wie folgt aufgebaut sind:
- • Unterteilung der
elektrischen Maschine 1 in die vier Wärmebilanzräume W1, W2, W3, W4, - • Aufstellen der Wärmestrombilanzen für jeden Wärmebilanzraum W1, W2, W3, W4 nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik
- • Subdivision of the
electrical machine 1 into the four heat balance rooms W1, W2, W3, W4, - • Setting up the heat flow balances for each thermal balance room W1, W2, W3, W4 according to the first law of thermodynamics
Die Gleichung (1) für die Wärmestrombilanz für den Wärmebilanzraum W1 lautet: The equation (1) for the heat flow balance for the heat balance room W1 is:
Die Gleichung (2) für die Wärmestrombilanz für den Wärmebilanzraum W2 lautet: Equation (2) for the heat flow balance for the heat balance space W2 is:
Die Gleichung (3) für die Wärmestrombilanz für den Wärmebilanzraum W3 lautet: Equation (3) for the heat flow balance for the heat balance room W3 is:
Die Gleichung (4) für die Wärmestrombilanz für den Wärmebilanzraum W4 lautet: Equation (4) for the heat flow balance for the heat balance room W4 is:
Die Eingangsgrößen für das Gleichungssystem aus den Gleichungen (1), (2), (3) und (4) sind dabei die folgenden Verlustwärmeströme:
- PVFe
- Verluste im Stator-Eisen Fe
- PVW
- Verluste in den Stator-Wicklungen W
- PVR
- Verluste im Rotor R
- TOil
- Temperatur des Kühlmediums im Stator S
- TOil(K0)
- Temperatur des Kühlmediums im Rotor R
- TAmbAir
- Temperatur der Umgebungsluft U.
- P VFe
- Losses in the stator iron Fe
- P VW
- Losses in the stator windings W
- P VR
- Losses in the rotor R
- T Oil
- Temperature of the cooling medium in the stator S
- T Oil (K0)
- Temperature of the cooling medium in the rotor R
- T AmbAir
- Ambient air temperature U.
Die Temperaturen der Wärmebilanzräume W1 bis W4 können als Zustandsgrößen betrachtet werden, von denen TW und TR die eigentlich interessierenden Ausgangsgrößen sind. Die Wärmeübertragung zwischen den Wärmebilanzräumen W1 bis W4 erfolgt über Wärmeübergangswiderstände, beispielsweise zwischen Stator-Eisen Fe und Stator-Wicklungen W in Form von RFeW. Wärmespeicherung erfolgt mittels Wärmekapazitäten, beispielsweise CFe für das Stator-Eisen Fe.The temperatures of the heat balance spaces W1 to W4 can be considered as state variables, of which T W and T R are the actually interesting outputs. The heat transfer between the heat balance spaces W1 to W4 via heat transfer resistors, for example between stator iron Fe and stator windings W in the form of R FeW . Heat storage takes place by means of heat capacities, for example C Fe for the stator iron Fe.
Die Verluste PVW in den Stator-Wicklungen W werden aus den Stromwärmeverlusten im Kupfer berechnet. Dabei werden die Widerstandsänderung in Abhängigkeit von der (modellierten) Wicklungstemperatur sowie der Skin-Effekt berücksichtigt.
Der Faktor Skinfctr zur Berechnung des Skin-Effekts wird durch ein Kennfeld abhängig von Id und Iq realisiert.The factor Skinfctr for calculating the skin effect is realized by a characteristic field depending on I d and I q .
Die Verluste PVFe im Stator-Eisen Fe werden aus den Wärmeeinträgen aufgrund der Wirbelstromverluste und der Hystereseverluste im Stator-Eisen Fe berechnet.
Die Vorfaktoren für die Berechnung der Verluste werden durch Kennfelder abhängig von Id und Iq realisiert.The pre-factors for the calculation of the losses are realized by maps depending on I d and I q .
Die Verluste PVR im Rotor R werden aus den Wärmeeinträgen aufgrund der Hystereseverluste PVRIron,Hysterese und Wirbelstromverluste PVRIron,Eddy im Rotor-Eisen und der Hystereseverluste PVRPM,Eddy in den Permanentmagneten berechnet.
Die Vorfaktoren für die Berechnung der Verluste werden durch Kennfelder abhängig von Id und Iq realisiert.The pre-factors for the calculation of the losses are realized by maps depending on I d and I q .
In
- – Die Wärmetransportgesetze zur Wärmeleitung, Wärmestrahlung und Konvektion entsprechen dem Ohm'schen Gesetz. Neben dem linearen Gesetz zur Wärmeleitung (Fourier) gibt es die nicht-linearen Wärmetransportmechanismen Wärmestrahlung (Stefan-Boltzmann) und Konvektion, die einzeln oder kombiniert auftreten. Letztere können aber für den betrachteten eingeschränkten Temperaturbereich näherungsweise linearisiert werden, so dass insgesamt ein linearer Zusammenhang für den Wärmetransport – analog dem Ohm'schen Gesetz – angenommen werden kann.
- – Der Wärmestrom entspricht dem elektrischen Strom.
- – Die Temperaturdifferenz entspricht der elektrischen Spannungsdifferenz.
- – Der Wärmeübergangswiderstand entspricht dem elektrischen Widerstand.
- – Der Wärmeleitwert entspricht dem elektrischen Leitwert.
- – Das Gesetz zur Wärmekapazität entspricht dem Gesetz zur Kondensatoraufladung.
- – Der erste Hauptsatz der Thermodynamik, wonach die Summe der Wärmeströme in Knoten gleich Null ist, entspricht der Kirchhoff'schen Knotenregel.
- – Aus Temperatur (skalare Zustandsgröße) folgt: Die Summe der Temperaturdifferenzen über eine geschlossene Kurve ist gleich Null. Dies entspricht der Kirchhoff'schen Maschenregel.
- - The heat transfer laws for heat conduction, heat radiation and convection comply with Ohm's law. In addition to the linear law for heat conduction (Fourier), there are the non-linear heat transfer mechanisms heat radiation (Stefan-Boltzmann) and convection, which occur individually or in combination. The latter can but for the considered limited temperature range Approximately linearized, so that a total of a linear relationship for the heat transfer - analogous to Ohm's law - can be assumed.
- - The heat flow corresponds to the electric current.
- - The temperature difference corresponds to the electrical voltage difference.
- - The heat transfer resistance corresponds to the electrical resistance.
- - The thermal conductivity corresponds to the electrical conductance.
- - The heat capacity law complies with the law on capacitor charging.
- - The first law of thermodynamics, according to which the sum of the heat flows in knots is equal to zero, corresponds to Kirchhoff's knot rule.
- - From temperature (scalar state variable) follows: The sum of the temperature differences over a closed curve is equal to zero. This corresponds to Kirchhoff's mesh rule.
In einem weiteren Schritt kann für den On-Board-Einsatz die Anzahl der Wärmebilanzräume W1 bis W4 reduziert werden.In a further step, the number of heat balance rooms W1 to W4 can be reduced for on-board use.
Zur Minimierung des Aufwandes für die Parametrierung und der benötigten On-board-Ressourcen werden an dem in
- a) Das Kühlmedium hat für eine gekapselte elektrische Maschine
1 einen gegenüber der Umgebungsluft U dominanten Kühleffekt. In der Folge kann der Einfluss der Umgebungsluft U vernachlässigt und somit das in1 gezeigte RFeAmbAir „hochohmig”, das heißt auf den Wert unendlich, gesetzt werden und somit in2 unberücksichtigt bleiben. - b) Bei Kühlung des Stator-Eisens Fe erfolgt der Wärmetransport aus den Stator-Wicklungen W in das Kühlmedium hauptsächlich über das Stator-Eisen Fe, weshalb der Wärmeübergang zwischen Stator-Wicklungen W und Kühlmedium einen Umweg darstellt und daher das in
1 gezeigte RWOil „hochohmig” gesetzt werden und somit in2 unberücksichtigt bleiben kann. - c) Der Wärmetransport vom Stator-Eisen Fe zum Rotor R erfolgt in erster Linie über einen dazwischenliegenden Luftspalt mittels Abstrahlung und Konvektion und nur in weit geringerem Maß über den mechanischen Umweg über Lager des Rotors R mittels Wärmeleitung. Daher kann das in
1 gezeigte RFeR (in seiner ursprünglichen Bedeutung) „hochohmig” gesetzt werden und in2 unberücksichtigt bleiben. - d) Die Wärmekapazität CEMAir der Luft L in der elektrischen Maschine
1 kann verglichen mit den großen Wärmekapazitäten CFe, CW, CR von Stator-Eisen Fe, Stator-Wicklungen W und Rotor R in erster Näherung vernachlässigt werden.
- a) The cooling medium has for a sealed electrical machine
1 a relation to the ambient air U dominant cooling effect. As a result, the influence of the ambient air U neglected and thus the in1 shown R FeAmbAir "high impedance", that is, set to the value infinite, and thus in2 disregarded. - b) When the stator iron Fe is cooled, the heat transfer from the stator windings W into the cooling medium takes place mainly via the stator iron Fe, which is why the heat transfer between the stator windings W and the cooling medium is a detour and therefore the in
1 shown WOil R are set to "high impedance" and thus in2 can be disregarded. - c) The heat transfer from the stator iron Fe to the rotor R takes place primarily via an intervening air gap by means of radiation and convection and only to a much lesser extent via the mechanical detour via bearings of the rotor R by means of heat conduction. Therefore, the in
1 shown R FeR (in its original meaning) are set to "high impedance" and in2 disregarded. - d) The heat capacity C EMAir of the air L in the
electric machine 1 can be neglected in a first approximation compared to the large heat capacities C Fe , C W , C R of stator iron Fe, stator windings W and rotor R.
Damit kann der Knoten des Wärmebilanzraums W4 aufgelöst werden, in dem eine Stern-Dreieck-Transformation durchgeführt wird und der verbliebene Widerstand RFew mit dem nun parallel-liegenden Widerstand zusammengefasst wird.Thus, the node of the thermal balance space W4 can be resolved, in which a star-delta transformation is performed and the remaining resistance R Few is combined with the now parallel-lying resistor.
Das Ergebnis dieser Vereinfachungen ist im Schaltbild der
Die Differenzengleichungen des vereinfachten Wärmebilanzmodells folgen aus den Gleichungen (1) bis (3) und den oben genannten Vereinfachungen a) bis d): The difference equations of the simplified heat balance model follow from the equations (1) to (3) and the above-mentioned simplifications a) to d):
Die Gleichungen (8) bis (10) eignen sich insbesondere für den On-Board-Einsatz in einem Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, in dem die elektrische Maschine
Auflösung des Knotens des Wärmebilanzraums W4 durch Stern-Dreieck-Transformation:
Resolution of the node of the heat balance space W4 by star-triangle transformation:
Integration von RFeW durch Parallelschaltung mit RFeW,2 gemäß (11):
Mit den Gleichungen (11) bis (14) steht somit eine Transformation (off-board) zur Verfügung, die es erlaubt, Startwerte und Wertebereiche der Parameter des vereinfachten Modells, die für die nachfolgende Feinparametrierung benötigt werden, aus physikalischen Werten zu gewinnen. Abkürzungsverzeichnis Equations (11) to (14) thus provide an off-board transformation that allows starting values and value ranges of the parameters of the simplified model, which are required for the subsequent fine parameterization, to be obtained from physical values. List of abbreviations
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- elektrische Maschineelectric machine
- 22
- Kühlsystemcooling system
- CEMAir C EMAir
- Wärmekapazität der Luft in der elektrischen MaschineHeat capacity of the air in the electric machine
- CFe C Fe
- Wärmekapazität Stator-EisenHeat capacity stator iron
- CR C R
- Wärmekapazität RotorHeat capacity rotor
- CW C W
- Wärmekapazität Stator-WicklungHeat capacity stator winding
- FeFe
- Stator-EisenStator iron
- LL
- Luftair
- PVFe P VFe
- Verluste im Stator-EisenLosses in the stator iron
- PVR P VR
- Verluste im RotorLosses in the rotor
- PVW P VW
- Verluste in den Stator-WicklungenLosses in the stator windings
- RR
- Rotorrotor
- RFeAmbAir R FeAmbAir
- Wärmeübergangswiderstand zwischen Stator-Eisen und AußenluftHeat transfer resistance between stator iron and outside air
- RFeEMAir R FeEMAir
- Wärmeübergangswiderstand zwischen Stator-Eisen und Luft in der elektrischen MaschineHeat transfer resistance between stator iron and air in the electric machine
- RFeOil R FeOil
- Wärmeübergangswiderstand zwischen Stator-Eisen und KühlölHeat transfer resistance between stator iron and cooling oil
- RFeR R FeR
- Wärmeübergangswiderstand zwischen Stator-Eisen und RotorHeat transfer resistance between stator iron and rotor
- RFeRvirt R FeRvirt
- Wärmeübergangswiderstand virtuell zwischen Stator-Eisen und RotorHeat transfer resistance virtually between stator iron and rotor
- RFeW R FeW
- Wärmeübergangswiderstand zwischen Stator-Eisen und Stator-WicklungHeat transfer resistance between stator iron and stator winding
- RFeWvirt R FeWvirt
- Wärmeübergangswiderstand virtuell zwischen Stator-Eisen und Stator-WicklungHeat transfer resistance virtually between stator iron and stator winding
- RREMAir R REMAir
- Wärmeübergangswiderstand zwischen Rotor und der Luft in der elektrischen MaschineHeat transfer resistance between the rotor and the air in the electric machine
- RROil R ROil
- Wärmeübergangswiderstand zwischen Rotor und KühlölHeat transfer resistance between rotor and cooling oil
- RWEMAir R WEMAir
- Wärmeübergangswiderstand zwischen Stator-Wicklung und der Luft in der elektrischen Maschine [K/W]Heat transfer resistance between stator winding and the air in the electric machine [K / W]
- RWOil R WOil
- Wärmeübergangswiderstand zwischen Stator-Wicklung und KühlölHeat transfer resistance between stator winding and cooling oil
- RWRvirt R WRvirt
- Wärmeübergangswiderstand virtuell zwischen Stator-Wicklung und RotorHeat transfer resistance virtually between stator winding and rotor
- SS
- Statorstator
- TAmbAir T AmbAir
- Temperatur der UmgebungsluftTemperature of the ambient air
- TEMAir T EMAir
- Temperatur der Luft in der elektrischen Maschine (im Luftspalt)Temperature of the air in the electric machine (in the air gap)
- TFe T Fe
- Temperatur Stator-EisenTemperature stator-iron
- TOil T Oil
- Temperatur des KühlmediumsTemperature of the cooling medium
- TOil(K0) T Oil (K0)
- Temperatur des Kühlmediums im RotorTemperature of the cooling medium in the rotor
- TR T R
- Temperatur RotorTemperature rotor
- TW T W
- Temperatur Stator-WicklungTemperature stator winding
- UU
- Umgebungsluftambient air
- WW
- Stator-WicklungenStator windings
- W1W1
- WärmebilanzraumHeat balance room
- W2W2
- WärmebilanzraumHeat balance room
- W3W3
- WärmebilanzraumHeat balance room
- W4W4
- WärmebilanzraumHeat balance room
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 10106944 B4 [0007] DE 10106944 B4 [0007]
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