DE102019124932A1

DE102019124932A1 - Method for determining a mass flow rate of a cooling medium in an electrical machine as well as computing unit and computer program

Info

Publication number: DE102019124932A1
Application number: DE102019124932.5A
Authority: DE
Inventors: Mathis Lurtz
Original assignee: SEG Automotive Germany GmbH
Current assignee: SEG Automotive Germany GmbH
Priority date: 2019-09-17
Filing date: 2019-09-17
Publication date: 2021-03-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Massestroms eines Kühlmediums (5) in einer elektrischen Maschine (1) mit mindestens einer elektronischen Komponente (12) und einem die mindestens eine elektronische Komponente (12) kühlenden Kühlkörper (13), wobei das Kühlmedium (5) durch die elektrische Maschine (1) und an dem Kühlkörper (13) vorbei bewegt wird und wobei eine Temperatur der elektronischen Komponente (12) und eine Temperatur des Kühlmediums (5) gemessen werden, wobei ein erstes thermisches Modell, das den thermischen Pfad von der elektronischen Komponente (12) zu dem Kühlmedium (5) beschreibt, verwendet wird, wobei ein Temperaturunterschied zwischen der Temperatur der elektronischen Komponente (12) und der Temperatur des Kühlmediums (5) bestimmt wird, und wobei der Massestrom des Kühlmediums (5) durch die elektrische Maschine (1) anhand des Temperaturunterschieds und des ersten thermischen Modells bestimmt wird, sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.

The invention relates to a method for determining a mass flow of a cooling medium (5) in an electrical machine (1) with at least one electronic component (12) and a heat sink (13) that cools the at least one electronic component (12), the cooling medium (5 ) is moved by the electrical machine (1) and past the heat sink (13) and wherein a temperature of the electronic component (12) and a temperature of the cooling medium (5) are measured, a first thermal model showing the thermal path of describes the electronic component (12) to the cooling medium (5), a temperature difference between the temperature of the electronic component (12) and the temperature of the cooling medium (5) is determined, and wherein the mass flow of the cooling medium (5) through the electrical machine (1) is determined on the basis of the temperature difference and the first thermal model, as well as a computing unit and a computer program for its implementation.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Massestroms eines Kühlmediums in einer elektrischen Maschine sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.The present invention relates to a method for determining a mass flow of a cooling medium in an electrical machine as well as a computing unit and a computer program for its implementation.

Stand der TechnikState of the art

In Fahrzeugen bzw. Kraftfahrzeugen mit elektrischer Maschine, insbesondere wenn diese zu Antriebszwecken eingesetzt wird wie beispielsweise eine Boost-Rekuperations-Maschine (BRM), wird die elektrische Maschine mit einem Kühlmedium, beispielsweise Luft, gekühlt. Das Kühlmedium wird dabei üblicherweise mittels Lüftern, die beispielsweise am Rotor oder der Rotorwelle der elektrischen Maschine angebracht sind, durch die elektrische Maschine bewegt.In vehicles or motor vehicles with an electric machine, in particular if this is used for drive purposes such as a boost recuperation machine (BRM), the electric machine is cooled with a cooling medium, for example air. The cooling medium is usually moved through the electrical machine by means of fans, which are attached, for example, to the rotor or the rotor shaft of the electrical machine.

Um beispielsweise die Kühlung der elektronischen Komponenten, insbesondere Leistungs- und Logikhalbleiter wie des Inverters, zu überwachen, können an bzw. innerhalb bestimmter elektronischer Komponenten Temperatursensoren verbaut werden, die die Temperatur der jeweiligen elektronischen Komponente messen.For example, in order to monitor the cooling of the electronic components, in particular power and logic semiconductors such as the inverter, temperature sensors can be installed on or within certain electronic components, which measure the temperature of the respective electronic component.

An bzw. innerhalb der mechanischen Komponenten, wie z.B. Ständerwicklungen, werden üblicherweise jedoch keine Temperatursensoren verbaut. Stattdessen kann die Temperatur des Kühlmediums gemessen werden und ausgehend davon mittels eines thermischen Modells, das einen thermischen Pfad von dem Kühlmedium zu der mechanischen Komponente beschreibt, die Temperatur der mechanischen Komponente abgeschätzt werden. In das thermische Modell geht der Massestrom des Kühlmediums ein, der jedoch von der (unbekannten) Dichte des Kühlmediums abhängt und daher nicht genau bekannt ist.Usually, however, no temperature sensors are installed on or within the mechanical components, such as stator windings. Instead, the temperature of the cooling medium can be measured and, on the basis of this, the temperature of the mechanical component can be estimated by means of a thermal model that describes a thermal path from the cooling medium to the mechanical component. The mass flow of the cooling medium is included in the thermal model, which, however, depends on the (unknown) density of the cooling medium and is therefore not exactly known.

Es ist somit wünschenswert, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem ein korrekter Massestrom eines Kühlmediums in bzw. durch eine elektrische Maschine bestimmt werden kann.It is therefore desirable to provide a method with which a correct mass flow of a cooling medium can be determined in or through an electrical machine.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zur Bestimmung eines Massestroms in einer elektrischen Maschine sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.According to the invention, a method for determining a mass flow in an electrical machine as well as a computing unit and a computer program with the features of the independent claims are proposed. Advantageous refinements are the subject matter of the subclaims and the description below.

Das Verfahren wird zur Bestimmung eines Massestroms eines Kühlmediums in einer bzw. durch eine elektrische Maschine verwendet. Die Elektrische Maschine weist mindestens eine elektronische Komponente, wie beispielsweise Leistungshalbleiter (insbesondere MOSFET oder IGBT) und Logikhalbleiter (insbesondere integrierte Schaltungen wie ASIC oder Mikrocontroller) und einen die mindestens eine elektronische Komponente kühlenden Kühlkörper auf. Das Kühlmedium wird durch die elektrische Maschine und an dem Kühlkörper vorbei bewegt, und eine Temperatur der elektronischen Komponente und eine Temperatur des Kühlmediums werden gemessen.The method is used to determine a mass flow rate of a cooling medium in or through an electrical machine. The electrical machine has at least one electronic component, such as, for example, power semiconductors (in particular MOSFET or IGBT) and logic semiconductors (in particular integrated circuits such as ASIC or microcontroller) and a heat sink that cools the at least one electronic component. The cooling medium is moved through the electrical machine and past the heat sink, and a temperature of the electronic component and a temperature of the cooling medium are measured.

Das Verfahren verwendet ein erstes thermisches Modell, das den thermischen Pfad von der elektronischen Komponente zu dem Kühlmedium beschreibt. Es wird ein Temperaturunterschied zwischen der Temperatur der elektronischen Komponente und der Temperatur des Kühlmediums bestimmt und anhand des Temperaturunterschieds und des ersten thermischen Modells wird der Massestrom des Kühlmediums durch die elektrische Maschine bestimmt.The method uses a first thermal model that describes the thermal path from the electronic component to the cooling medium. A temperature difference between the temperature of the electronic component and the temperature of the cooling medium is determined and the mass flow of the cooling medium through the electrical machine is determined on the basis of the temperature difference and the first thermal model.

Die Wärmeübertragung entlang des thermischen Pfades von der elektronischen Komponente zum Kühlkörper ist nur abhängig von der Wärmeleitfähigkeit der beteiligten Bauteile und der Wärmeübertragung zwischen den beteiligten Bauteilen. Diese ändern sich nicht und können für das erste thermische Modell als konstant angesehen werden. Jedoch ist die Wärmeübertragung von dem Kühlkörper zu dem Kühlmedium insbesondere von dem Massestrom des Kühlmediums abhängig. In dem ersten thermischen Modell kann somit aus den bekannten Temperaturen an den Enden des thermischen Pfades auf den Massestrom des Kühlmediums geschlossen werden.The heat transfer along the thermal path from the electronic component to the heat sink is only dependent on the thermal conductivity of the components involved and the heat transfer between the components involved. These do not change and can be regarded as constant for the first thermal model. However, the heat transfer from the heat sink to the cooling medium is particularly dependent on the mass flow of the cooling medium. In the first thermal model, conclusions can be drawn about the mass flow of the cooling medium from the known temperatures at the ends of the thermal path.

Als Kühlmedium wird insbesondere Luft verwendet, die durch mindestens eine Lufteinlassöffnung in die elektrische Maschine eintritt. Die Luft wird durch mindestens einen Lüfter, der beispielsweise an der Rotorwelle der elektrischen Maschine angebracht ist, durch die elektrische Maschine bewegt. Der Massestrom ändert sich beispielsweise aufgrund des Dichteunterschieds der Luft in unterschiedlichen Höhen. Auch kann ein teilweises oder vollständiges Versperren der mindestens einen Lufteinlassöffnung, beispielsweise durch Dreck, Partikel oder dergleichen, zu einer Reduzierung des Massestroms und somit zu einer Reduzierung der Kühlung der elektrischen Maschine führen.In particular, air is used as the cooling medium, which enters the electrical machine through at least one air inlet opening. The air is moved through the electrical machine by at least one fan, which is attached, for example, to the rotor shaft of the electrical machine. The mass flow changes, for example, due to the difference in density of the air at different heights. A partial or complete blocking of the at least one air inlet opening, for example by dirt, particles or the like, can also lead to a reduction in the mass flow and thus to a reduction in the cooling of the electrical machine.

Vorteilhafterweise wird aus der gemessenen Temperatur der elektronischen Komponente unter Verwendung des thermischen Pfades, des ersten thermischen Modells und eines angenommenen Massestroms die Temperatur des Kühlmediums berechnet. Die berechnete Temperatur des Kühlmediums wird mit der gemessenen Temperatur des Kühlmediums verglichen, wobei aus dem Vergleich der berechneten Temperatur mit der gemessenen Temperatur ein Korrekturfaktor für den angenommenen Massestrom bestimmt wird.The temperature of the cooling medium is advantageously calculated from the measured temperature of the electronic component using the thermal path, the first thermal model and an assumed mass flow. The calculated temperature of the The cooling medium is compared with the measured temperature of the cooling medium, a correction factor for the assumed mass flow being determined from the comparison of the calculated temperature with the measured temperature.

Liegt die berechnete Temperatur unter der gemessenen Temperatur, ist der aktuelle Massestrom geringer als vom ersten thermischen Modell angenommen. Es wird deshalb ein Korrekturfaktor bestimmt, der den angenommenen Massestrom reduziert, so dass der korrekte aktuelle Massestrom erhalten wird. Liegt die berechnete Temperatur über der gemessenen Temperatur, ist der aktuelle Massestrom größer als vom ersten thermischen Modell angenommen. Es wird deshalb ein Korrekturfaktor bestimmt, der den angenommenen Massestrom erhöht, so dass der korrekte aktuelle Massestrom erhalten wird.If the calculated temperature is below the measured temperature, the current mass flow is lower than assumed by the first thermal model. A correction factor is therefore determined which reduces the assumed mass flow so that the correct current mass flow is obtained. If the calculated temperature is above the measured temperature, the current mass flow is greater than assumed by the first thermal model. A correction factor is therefore determined which increases the assumed mass flow so that the correct current mass flow is obtained.

Es versteht sich, dass alternativ oder zusätzlich aus der gemessenen Temperatur des Kühlmediums unter Verwendung des thermischen Pfades, des ersten thermischen Modells und des angenommenen Massestroms die Temperatur der elektronischen Komponente berechnet werden kann. Die berechnete Temperatur der elektronischen Komponente wird mit der gemessenen Temperatur der elektronischen Komponente verglichen, wobei aus dem Vergleich der berechneten Temperatur mit der gemessenen Temperatur ein Korrekturfaktor für den angenommenen Massestrom bestimmt wird.It goes without saying that, as an alternative or in addition, the temperature of the electronic component can be calculated from the measured temperature of the cooling medium using the thermal path, the first thermal model and the assumed mass flow. The calculated temperature of the electronic component is compared with the measured temperature of the electronic component, a correction factor for the assumed mass flow being determined from the comparison of the calculated temperature with the measured temperature.

Es ist somit möglich, den Korrekturfaktor für den Massestrom entweder aus dem Vergleich der berechneten Temperatur mit der gemessenen Temperatur des Kühlmediums oder aus dem Vergleich der berechneten Temperatur mit der gemessenen Temperatur der elektrischen Komponente mittels des Verfahrens zu bestimmen.It is thus possible to determine the correction factor for the mass flow either from the comparison of the calculated temperature with the measured temperature of the cooling medium or from the comparison of the calculated temperature with the measured temperature of the electrical component by means of the method.

Der durch Anwendung des Korrekturfaktors auf den angenommenen Massestrom bestimmte aktuelle Massestrom kann nun für weitere Zwecke, insbesondere für andere thermische Modelle verwendet werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn beispielsweise ein thermisches Modell einen thermischen Pfad von einer anderen Komponente zu dem Kühlmedium beschreibt, wobei die Temperatur der Komponente nicht gemessen werden kann. Der bestimmte aktuelle Massestrom erlaubt es, die Temperatur auch solcher Komponenten besser abschätzen zu können, als es im Stand der Technik der Fall ist.The current mass flow determined by applying the correction factor to the assumed mass flow can now be used for further purposes, in particular for other thermal models. This is particularly advantageous if, for example, a thermal model describes a thermal path from another component to the cooling medium, the temperature of the component not being able to be measured. The determined current mass flow allows the temperature of such components to be estimated better than is the case in the prior art.

Insbesondere weist die elektrische Maschine mindestens eine mechanische Komponente, beispielsweise Ständerwicklung oder Permanentmagnet, auf, die durch das Kühlmedium gekühlt wird. Ein zweites thermisches Modell beschreibt den thermischen Pfad von der mindestens einen mechanischen Komponente zu dem Kühlmedium.In particular, the electrical machine has at least one mechanical component, for example stator winding or permanent magnet, which is cooled by the cooling medium. A second thermal model describes the thermal path from the at least one mechanical component to the cooling medium.

Vorteilhafterweise wird der bestimmte Massestrom auf das zweite thermische Modell angewendet. Somit kann die Temperatur der mindestens einen mechanischen Komponente berechnet bzw. abgeschätzt werden. Unter Verwendung des Verfahrens ist es möglich, die Temperatur der mindestens einen mechanischen Komponente zu bestimmen bzw. abzuschätzen und es ist somit möglich zu bestimmen, ob die mindestens eine mechanische Komponente ausreichend gekühlt wird. Dies ist insbesondere von Vorteil, da an bzw. in vielen mechanischen Komponenten, wie beispielsweise Ständerwicklung oder Rotorteile (z.B. Permanentmagnete), keine Temperatursensoren angebracht bzw. verbaut werden. Da jedoch der Aufbau der elektrischen Maschine bekannt ist, ist auch der thermische Pfad von der mechanischen Komponente bzw. den mechanischen Komponenten zu dem Kühlmedium bekannt, so dass die Temperatur der mechanischen Komponente letztlich nur von der (bekannten) Temperatur des Kühlmediums und dem (berechneten) Massestrom abhängt.The determined mass flow is advantageously applied to the second thermal model. The temperature of the at least one mechanical component can thus be calculated or estimated. Using the method, it is possible to determine or estimate the temperature of the at least one mechanical component, and it is thus possible to determine whether the at least one mechanical component is adequately cooled. This is particularly advantageous because no temperature sensors are attached to or built into many mechanical components, such as stator windings or rotor parts (e.g. permanent magnets). However, since the structure of the electrical machine is known, the thermal path from the mechanical component or the mechanical components to the cooling medium is also known, so that the temperature of the mechanical component ultimately only depends on the (known) temperature of the cooling medium and the (calculated ) Depends on the mass flow.

Im Vergleich zu Fällen, in denen nur die Temperatur des Kühlmediums gemessen, aber die Temperatur der einzelnen mechanischen Komponenten nicht präzise berechnet bzw. bestimmt werden kann, kann dies in der vorliegenden Erfindung erreicht werden. Wird durch Bestimmung der Temperatur einer der mechanischen Komponenten beispielsweise festgestellt, dass die Temperatur der mechanischen Komponente einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, können Maßnahmen ergriffen werden, um eine thermische Beschädigung der Komponente zu verhindern, z.B. indem die Leistung der elektrischen Maschine reduziert wird. Durch eine Überhitzung könnten sich beispielsweise die Permanentmagnete lösen oder ihre magnetischen Eigenschaften verlieren oder die Isolation der Ständerwicklung zerstört werden, wodurch die Funktion der elektrischen Maschine gestört wird.In comparison to cases in which only the temperature of the cooling medium can be measured, but the temperature of the individual mechanical components cannot be precisely calculated or determined, this can be achieved in the present invention. If, by determining the temperature of one of the mechanical components, it is determined, for example, that the temperature of the mechanical component exceeds a certain threshold value, measures can be taken to prevent thermal damage to the component, e.g. by reducing the power of the electrical machine. Overheating could, for example, cause the permanent magnets to loosen or lose their magnetic properties, or the insulation of the stator winding could be destroyed, thereby disrupting the function of the electrical machine.

Vorteilhafterweise wird als Temperatur der elektronischen Komponente eine Temperatur eines Leistungshalbleiters oder eines Logikhalbleiters verwendet. Üblicherweise verwendete Leistungshalbleiter und Logikhalbleiter sind MOSFET, IGBT bzw. integrierte Schaltungen, insbesondere ASIC oder Mikrocontroller. Es ist von Vorteil, wenn der Mikrocontroller den Temperatursensor aufweist und somit kein zusätzlicher Temperatursensor verbaut werden muss. Der thermische Pfad vom Mikrocontroller zum Kühlmedium ist aufgrund des Aufbaus der elektrischen Maschine bekannt und kann in das thermische Modell eingegeben werden. Es können aber auch Mikrocontroller ohne integrierten Temperatursensor verwendet werden. In diesem Fall muss ein Temperatursensor am Mikrocontroller oder in der Nähe des Mikrocontrollers angeordnet sein. Darüber hinaus ist die vorliegende Erfindung nicht auf einen Mikrocontroller beschränkt und es können die Temperaturen anderer elektronischer Komponenten als die Temperatur der elektronischen Komponente verwendet werden. Im Allgemeinen gilt, dass jede elektronische Komponente verwendet werden kann, deren thermischer Pfad zum Kühlmedium bekannt ist und deren Temperatur gemessen werden kann.A temperature of a power semiconductor or a logic semiconductor is advantageously used as the temperature of the electronic component. Commonly used power semiconductors and logic semiconductors are MOSFETs, IGBTs or integrated circuits, in particular ASICs or microcontrollers. It is advantageous if the microcontroller has the temperature sensor and therefore no additional temperature sensor has to be installed. The thermal path from the microcontroller to the cooling medium is known due to the structure of the electrical machine and can be entered into the thermal model. However, microcontrollers without an integrated temperature sensor can also be used. In this case, a temperature sensor on the microcontroller or near the Microcontroller be arranged. In addition, the present invention is not limited to a microcontroller, and the temperatures of other electronic components can be used as the temperature of the electronic component. In general, any electronic component can be used whose thermal path to the cooling medium is known and whose temperature can be measured.

Erfindungsgemäß wird eine Anordnung mit einer Recheneinheit und mindestens einem ersten Temperatursensor und einem zweiten Temperatursensor vorgeschlagen. Die Recheneinheit ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen.According to the invention, an arrangement with a computing unit and at least one first temperature sensor and one second temperature sensor is proposed. The computing unit is set up, in particular in terms of programming, to carry out a method according to the invention.

Der erste Temperatursensor und/oder der zweite Temperatursensor können Temperatursensoren sein, die in einer Komponente der elektrischen Maschine integriert sind, oder können Temperatursensoren sein, die an einer Komponente der elektrischen Maschine angeordnet sind. Der erste Temperatursensor misst beispielsweise die Temperatur der elektronischen Komponente und der zweite Temperatursensor die Temperatur des Kühlmediums, oder umgekehrt.The first temperature sensor and / or the second temperature sensor can be temperature sensors that are integrated in a component of the electrical machine, or can be temperature sensors that are arranged on a component of the electrical machine. The first temperature sensor measures, for example, the temperature of the electronic component and the second temperature sensor measures the temperature of the cooling medium, or vice versa.

Ferner kann die Recheneinheit mit einer Luftdruckmessvorrichtung verbunden sein. Die Luftdruckmessvorrichtung misst den Luftdruck und bestimmt die aktuelle Dichte der Luft. Alternativ oder zusätzlich kann die Recheneinheit die aktuelle Höhe über GPS-Signale bestimmen oder die aktuelle Höhe von einer außerhalb der Maschine befindlichen separaten Einheit erhalten, und aus der bestimmten Höhe die aktuelle Dichte der Luft ableiten. Die Dichte kann als weitere Größe in die thermischen Modelle einbezogen werden, um den aktuellen Massestrom korrekt zu bestimmen.Furthermore, the computing unit can be connected to an air pressure measuring device. The air pressure measuring device measures the air pressure and determines the current density of the air. Alternatively or additionally, the computing unit can determine the current altitude via GPS signals or receive the current altitude from a separate unit located outside the machine, and derive the current density of the air from the determined altitude. The density can be included as a further variable in the thermal models in order to correctly determine the current mass flow.

Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.The implementation of a method according to the invention in the form of a computer program or computer program product with program code for performing all method steps is advantageous, since this causes particularly low costs, in particular if an executing control device is also used for other tasks and is therefore available anyway. Suitable data carriers for providing the computer program are, in particular, magnetic, optical and electrical memories, such as hard drives, flash memories, EEPROMs, DVDs, etc. A program can also be downloaded via computer networks (Internet, intranet, etc.).

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and embodiments of the invention emerge from the description and the accompanying drawing.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It goes without saying that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the respectively specified combination, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.The invention is shown schematically in the drawing using an exemplary embodiment and is described below with reference to the drawing.

FigurenlisteFigure list

1 shows schematically an electrical machine as the invention may be based.
2 shows schematically an exemplary first thermal path of the method according to the invention.

Ausführungsform(en) der ErfindungEmbodiment (s) of the invention

In 1 ist grob schematisch eine elektrische Maschine 1 dargestellt, wie sie der Erfindung zugrunde liegen kann und in der das erfindungsgemäße Verfahren angewendet wird. Die elektrische Maschine 1, die insbesondere in motorischem und generatorischem Betrieb verwendet werden kann, besonders bevorzugt auch in einem sog. Boost-Rekuperations-System (d.h. zur Energierückgewinnung und Antriebsunterstützung), weist einen Läufer bzw. Rotor 3 auf einer Rotorwelle 10 auf, der beispielsweise hier nicht näher dargestellte Klauenpole und eine Läuferwicklung sowie zusätzlich oder auch ausschließlich Permanentmagnete zur Erzeugung eines Magnetfelds aufweist. Entsprechend ist auch ein Ständer bzw. Stator 4 gezeigt, der beispielsweise eine Ständerwicklung 14 aufweisen kann.In 1 is roughly schematically an electrical machine 1 shown how it can be the basis of the invention and in which the method according to the invention is applied. The electric machine 1 which can be used in particular in motor and generator operation, particularly preferably also in a so-called boost recuperation system (ie for energy recovery and drive support), has a rotor or rotor 3 on a rotor shaft 10 which, for example, has claw poles (not shown in detail here) and a rotor winding as well as additionally or exclusively permanent magnets for generating a magnetic field. A stator or stator is also corresponding 4th shown, for example, a stator winding 14th may have.

An der Rotorwelle 10 ist ein Lüfter 11 angebracht. Die elektrische Maschine 1 weist ferner eine elektronische Komponente 12 auf, die von einem Kühlkörper 13 bedeckt ist, wobei der Kühlkörper 13 dazu dient, die elektronische Komponente 12 zu kühlen. Die elektronische Komponente 12 weist hier ferner einen Temperatursensor auf. Die elektronische Komponente 12 kann beispielsweise ein Mikrocontroller sein. Die elektronische Komponente 12 ist insbesondere Bestandteil eines Stromrichters (sog. Inverter) der elektrischen Maschine, welcher eine Gleichstromseite, insbesondere ein Bordnetz eines die elektrische Maschine 1 enthaltenden Fahrzeugs, und Ständerwicklungen 14 als Wechselstromseite verbindet. Die Ständerwicklungen 14 stellen zugleich die mechanischen Komponenten im Sinne der Erfindung dar.On the rotor shaft 10 is a fan 11 appropriate. The electric machine 1 also has an electronic component 12th on that from a heat sink 13th is covered, with the heat sink 13th serves the electronic component 12th to cool. The electronic component 12th also has a temperature sensor here. The electronic component 12th can be a microcontroller, for example. The electronic component 12th is in particular part of a power converter (so-called inverter) of the electrical machine, which has a direct current side, in particular an on-board network of the electrical machine 1 containing vehicle, and stator windings 14th as the AC side connects. The stator windings 14th at the same time represent the mechanical components within the meaning of the invention.

Zur Kühlung der elektrischen Maschine 1 wird ein Kühlmedium, hier Luft 5, verwendet. Die Luft 5 tritt durch Lufteintrittsöffnungen 15 in die elektrische Maschine 1 ein. Ein Temperatursensor 16 misst dabei die Temperatur der eintretenden Luft 5. Die Luft 5 wird von dem Lüfter 11 durch die elektrische Maschine 1 an der elektronischen Komponente 12 und der mechanischen Komponente 14 vorbeibewegt, um diese zu kühlen.For cooling the electrical machine 1 becomes a cooling medium, here air 5 , used. The air 5 enters through air inlets 15th into the electric machine 1 on. A temperature sensor 16 measures the temperature of the incoming air 5 . The air 5 is from the fan 11 by the electric machine 1 on the electronic component 12th and the mechanical component 14th moved past to cool this down.

Eine Recheneinheit 18 ist mit dem Temperatursensor 16, der zur Messung der Temperatur der Luft 5 vorgesehen ist, und mit dem Temperatursensor, der zur Messung der Temperatur der elektronischen Komponente 12 (des Mikrocontroller) vorgesehen ist, verbunden. Die Recheneinheit 18 ist zur Durchführung einer bevorzugten Ausführung der Erfindung eingerichtet, wobei mittels eines ersten thermischen Modells zunächst der Massestrom der Kühlluft bestimmt wird. In 2 ist schematisch der thermische Pfad von der elektronischen Komponente 12 zu dem Kühlkörper 13 gezeigt. Die elektronische Komponente 12, hier ein Mikrocontroller, ist in einem Gehäuse 19 verbaut. Ferner ist das Gehäuse 19 mit dem Kühlkörper 13 verbunden.A unit of account 18th is with the temperature sensor 16 who is used to measure the temperature of the air 5 is provided, and with the temperature sensor, which is used to measure the temperature of the electronic component 12th (of the microcontroller) is provided. The arithmetic unit 18th is set up to carry out a preferred embodiment of the invention, the mass flow of the cooling air being initially determined by means of a first thermal model. In 2 is schematically the thermal path from the electronic component 12th to the heat sink 13th shown. The electronic component 12th , here a microcontroller, is in a housing 19th installed. Furthermore, the housing 19th with the heat sink 13th connected.

Die Luft 5 wird an dem Kühlkörper 13 vorbeibewegt, wobei eine Wärmeübertragung von dem Kühlkörper 13 an die Luft 5 erfolgt. Von der elektronischen Komponente 12 erfolgt entlang des thermischen Pfads eine Wärmeübertragung an das Gehäuse 19 der elektronischen Komponente und von diesem an den Kühlkörper 13. Diese Wärmeübertragung entlang des thermischen Pfads von der elektronischen Komponente 12 zum Kühlkörper 13 ist nur abhängig von der Wärmeleitfähigkeit und der Wärmeübertragung zwischen den einzelnen Bauteilen 12, 19, 13. Diese ändern sich nicht und können für das (erste) thermische Modell als konstant angesehen werden. Jedoch ist die Wärmeübertragung von dem Kühlkörper 13 an die Luft 5 von dem Massestrom der Luft 5 abhängig, da die Luft 5 bei einem höheren Massestrom mehr Wärme aufnehmen kann als bei einem geringeren Massestrom. Aus den bekannten Temperaturen an den Enden des thermischen Pfades kann somit mittels des ersten thermischen Modells auf den Massestrom des Kühlmediums geschlossen werden.The air 5 is attached to the heat sink 13th moved past, with a heat transfer from the heat sink 13th to the air 5 he follows. From the electronic component 12th heat is transferred to the housing along the thermal path 19th the electronic component and from this to the heat sink 13th . This heat transfer along the thermal path from the electronic component 12th to the heat sink 13th is only dependent on the thermal conductivity and the heat transfer between the individual components 12th , 19th , 13th . These do not change and can be regarded as constant for the (first) thermal model. However, there is heat transfer from the heat sink 13th to the air 5 of the mass flow of the air 5 dependent as the air 5 can absorb more heat with a higher mass flow than with a lower mass flow. From the known temperatures at the ends of the thermal path, conclusions can be drawn about the mass flow of the cooling medium by means of the first thermal model.

Beispielsweise kann aus der gemessenen Temperatur der elektronischen Komponente 12 unter Verwendung des ersten thermischen Modells und eines angenommenen Massestroms die Temperatur der Luft 5 berechnet werden. Die berechnete Temperatur der Luft 5 kann mit der gemessenen Temperatur der Luft 5 verglichen werden, wobei aus dem Vergleich der berechneten Temperatur mit der gemessenen Temperatur ein Korrekturfaktor für den angenommenen Massestrom bestimmt werden kann. Liegt die berechnete Temperatur unter der gemessenen Temperatur, ist der aktuelle Massestrom geringer als angenommen. Es wird deshalb ein Korrekturfaktor bestimmt, der den angenommenen Massestrom reduziert, so dass der korrekte aktuelle Massestrom erhalten wird. Liegt die berechnete Temperatur über der gemessenen Temperatur, ist der aktuelle Massestrom größer als angenommen. Es wird deshalb ein Korrekturfaktor bestimmt, der den angenommenen Massestrom erhöht, so dass der korrekte aktuelle Massestrom erhalten wird.For example, from the measured temperature of the electronic component 12th using the first thermal model and an assumed mass flow rate, the temperature of the air 5 be calculated. The calculated temperature of the air 5 can with the measured temperature of the air 5 can be compared, a correction factor for the assumed mass flow can be determined from the comparison of the calculated temperature with the measured temperature. If the calculated temperature is below the measured temperature, the current mass flow is lower than assumed. A correction factor is therefore determined which reduces the assumed mass flow so that the correct current mass flow is obtained. If the calculated temperature is above the measured temperature, the current mass flow is greater than assumed. A correction factor is therefore determined which increases the assumed mass flow so that the correct current mass flow is obtained.

Alternativ kann auch aus der gemessenen Temperatur der Luft 5 unter Verwendung des thermischen Pfades, des ersten thermischen Modells und des angenommenen Massestroms die Temperatur der elektronischen Komponente 12 und daraus der Korrekturfaktor berechnet werden.Alternatively, the measured temperature of the air can also be used 5 using the thermal path, the first thermal model and the assumed mass flow rate, the temperature of the electronic component 12th and from this the correction factor can be calculated.

Das in der Recheneinheit 18 ausgeführte Verfahren ist somit in der Lage, den aktuellen Massestrom zu bestimmen.That in the arithmetic unit 18th The executed method is thus able to determine the current mass flow.

Ferner ist in der Recheneinheit 18 ein zweites thermisches Modell implementiert, das den thermischen Pfad von der mechanischen Komponente 14 zu der Luft 5 beschreibt. An bzw. in vielen mechanischen Komponenten, wie beispielsweise Ständerwicklung oder Rotorteile (z.B. Permanentmagnete), werden keine Temperatursensoren angebracht bzw. verbaut. Jedoch ist der Aufbau der elektrischen Maschine 1 bekannt. In der vorliegenden Ausführungsform weist der thermische Pfad nur die mechanische Komponente 14 auf. Somit ist der thermische Pfad von der mechanischen Komponente 14 zu der Luft 5 bekannt. Die Wärmeübertragung von der mechanischen Komponente 14 zu der Luft 5 ist wie auch der erste thermische Pfad von der elektronischen Komponente 12 zu der Luft 5 nur von dem Massestrom der Luft 5 abhängig.Furthermore is in the arithmetic unit 18th implemented a second thermal model showing the thermal path from the mechanical component 14th to the air 5 describes. No temperature sensors are attached to or built into many mechanical components, such as stator windings or rotor parts (e.g. permanent magnets). However, the structure of the electric machine is different 1 known. In the present embodiment, the thermal path has only the mechanical component 14th on. Thus the thermal path is from the mechanical component 14th to the air 5 known. The heat transfer from the mechanical component 14th to the air 5 is like the first thermal path from the electronic component 12th to the air 5 only from the mass flow of the air 5 dependent.

Das in der Recheneinheit 18 ausgeführte Verfahren verwendet nun den bestimmten aktuellen Massestrom für das zweite thermische Modell. Somit kann die Temperatur der mechanischen Komponente 14 bestimmt werden.That in the arithmetic unit 18th The method executed now uses the determined current mass flow rate for the second thermal model. Thus, the temperature of the mechanical component 14th to be determined.

Es ist somit möglich, durch Verwendung des Verfahrens die Temperatur der mechanischen Komponente 14 während des Betriebs der elektrischen Maschine 1 zu Überwachen. Durch eine Überhitzung könnten sich beispielsweise Permanentmagnete lösen oder die Isolation der Ständerwicklung zerstört werden, wodurch die Funktion der elektrischen Maschine 1 gestört wird.It is thus possible, by using the method, to determine the temperature of the mechanical component 14th during operation of the electrical machine 1 to monitor. Overheating could, for example, cause permanent magnets to loosen or the insulation of the stator winding to be destroyed, thereby preventing the electrical machine from functioning 1 is disturbed.

Sofern daher beispielsweise die Temperatur der mechanischen Komponente 14 einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, wird die Leistung der elektrischen Maschine 1 reduziert, um eine thermische Beschädigung der mechanischen Komponente 14 zu verhindernIf therefore, for example, the temperature of the mechanical component 14th exceeds a certain threshold value, the power of the electric machine 1 reduced to thermal damage to the mechanical component 14th to prevent

Im Vergleich zu Fällen, in denen nur die Temperatur der Luft 5 gemessen, aber die Temperatur der einzelnen mechanischen Komponenten nicht berechnet bzw. bestimmt werden kann, kann dies in der vorliegenden Erfindung erreicht werden.Compared to cases where only the temperature of the air 5 measured, but the temperature of the individual mechanical components cannot be calculated or determined, this can be achieved in the present invention.

Claims

A method for determining a mass flow of a cooling medium (5) in an electrical machine (1) with at least one electronic component (12) and a heat sink (13) that cools the at least one electronic component (12), the cooling medium (5) through the electrical Machine (1) and the heat sink (13) is moved past and wherein a temperature of the electronic component (12) and a temperature of the cooling medium (5) are measured, with a first thermal model showing the thermal path from the electronic component (12 ) describes the cooling medium (5) is used, wherein a temperature difference between the temperature of the electronic component (12) and the temperature of the cooling medium (5) is determined, and wherein the mass flow of the cooling medium (5) through the electrical machine (1 ) is determined based on the temperature difference and the first thermal model.

Procedure according to Claim 1 , wherein the electrical machine (1) further comprises at least one mechanical component (14) which is cooled by the cooling medium (5), wherein the determined mass flow of the cooling medium is based on a second thermal model, which the thermal path of the at least one mechanical Component (14) describes the cooling medium (5), is used to calculate a temperature of the at least one mechanical component (14).

Procedure according to Claim 2 , wherein the at least one mechanical component (14) is a stator winding and / or a permanent magnet.

Procedure according to Claim 1 or 2 , the temperature of the cooling medium (5) being calculated from the measured temperature of the electronic component (12) using the thermal path, the first thermal model and an assumed mass flow, the calculated temperature of the cooling medium (5) being compared with the measured temperature of the Cooling medium (5) is compared, and a correction factor for the assumed mass flow is determined from the comparison of the calculated temperature with the measured temperature.

Method according to one of the preceding claims, wherein the temperature of the electronic component (12) is calculated from the measured temperature of the cooling medium (5) using the thermal path, the first thermal model and the assumed mass flow, the calculated temperature of the electronic component ( 12) is compared with the measured temperature of the electronic component (12), and a correction factor for the assumed mass flow is determined from the comparison of the calculated temperature with the measured temperature.

Method according to one of the preceding claims, wherein the temperature of the electronic component (12) is a temperature of a power semiconductor, such as MOSFET or IGBT, or of a logic semiconductor, e.g. integrated circuit such as ASIC or microcontroller.

Arrangement with a computing unit (18) and a first temperature sensor (16) and a second temperature sensor (17), wherein the computing unit (18) is set up to carry out a method according to one of the preceding claims.

Computer program comprising instructions that cause the arrangement of the Claim 7 the process steps according to one of the Claims 1 to 6th executes.