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Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen elektrische Maschinen. Insbesondere betrifft sie ein Steuerungssystem und Verfahren zum Optimieren von Temperatur und Kühlmittelmenge in einer elektrischen Maschine, um maximale Effizienz der elektrischen Maschine zu erreichen.
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Eine Vektorsteuerungstechnik wird typischerweise zur Motorsteuerung in elektrischen Maschinen, wie z. B. Induktionsmotoren und Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM), verwendet. Verschiedene Vektorsteuerungstechniken wurden in der Vergangenheit entwickelt, um die Leistung der elektrischen Maschinen zu verbessern. Eine solcher Techniken beinhaltet Maximum Torque Per Ampere (MTPA), wie in 1A gezeigt. Gemäß MTPA ist ein Phasenstrom der elektrischen Maschine zu einem minimal möglichen Wert in einem Betriebsbereich für ein gegebenes Drehmoment optimiert. Die Optimierung des Phasenstroms wird erreicht, um ohmsche Verluste in der elektrischen Maschine zu minimieren. Eine weitere bekannte Vektorsteuerungstechnik beinhaltet Maximale-Effizienz (ME) -Algorithmus (auch als Verlustminimierungsalgorithmus (Loss Minimization Algorithm, LMA) bezeichnet), wie in 1 B gezeigt, die sich auf die Effizienz der elektrischen Maschine konzentriert. Gemäß dem ME-Algorithmus wird ein Betriebspunkt der elektrischen Maschine bewusst zu einem Bereich mit höherem Strom bewegt. Folglich werden ohmsche Verluste erhöht und Kernverluste werden verringert, was den Gesamtverlust der elektrischen Maschine verringert. Daher wird die Effizienz der elektrischen Maschine im ME-Algorithmus im Vergleich zu der MTPA-Technik verbessert. MTPA sowie die ME-Algorithmen sind beide auf die Minimierung von Gesamtverlusten einschließlich des ohmschen sowie des Kernverlusts in den elektrischen Maschinen gerichtet.
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Jedoch berücksichtigen MTPA und ME-Algorithmen keine Schleppverluste der elektrischen Maschine. Die Schleppverluste treten im Allgemeinen in der elektrischen Maschine aufgrund von Kühlmittel auf, das in einen Luftspalt zwischen einem Stator und einem Rotor der elektrischen Maschine fließt. Das Kühlmittel ist bereitgestellt, um die Temperatur der elektrischen Maschine zu optimieren. Optimierung der Temperatur kann bei höheren Betriebstemperaturen aufgrund von thermischen Einschränkungen der elektrischen Maschine entscheidend sein. Die thermischen Einschränkungen erlegen Einschränkungen auf die Fähigkeiten bezüglich Drehmoments und Drehzahl der elektrischen Maschine und somit die der Elektrofahrzeuge. Daher wäre es vorteilhaft, eine verbesserte Vektorsteuerungstechnik bereitzustellen, die die Temperatur und den Kühlmittelfluss der elektrischen Maschine optimiert, sodass thermische Grenzen der elektrischen Maschine erhöht werden können, während die Gesamteffizienz erhöht wird.
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Patentdokument Nummer
US20120081047A1 offenbart eine Steuerungsvorrichtung einer Antriebsvorrichtung, die eine elektrische Rotationsmaschine, die mit anpassbarem Feldfluss bereitgestellt ist, und einen Mechanismus beinhaltet, der den Feldfluss anpasst. Der Feldfluss erzeugt ein rotierendes Magnetfeld gemäß relativen Positionen in einer Umfangsrichtung eines ersten Rotors und eines zweiten Rotors für die Antriebsvorrichtung. Die Rotationsmaschine verbessert die Effizienz durch Verringern des Systemverlusts, der Eisenverlust und Kupferverlust beinhaltet, durch Verändern des Feldflusses der elektrischen Rotationsmaschine. Jedoch berücksichtigt das Patent, auf das sich bezogen wird, keine Schleppverluste der elektrischen Maschine, während die Effizienz verbessert wird. Des Weiteren stellt das Patent, auf das sich bezogen wird, keine wirksame Lösung für die Optimierung der Temperatur und Kühlmittelmenge der elektrischen Maschine bereit.
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Ein weiteres Patentdokument
US10148208B2 offenbart eine Steuerungsvorrichtung für eine elektrische Maschine einschließlich eines Stators und eines Rotors. Die Steuerungsvorrichtung beinhaltet außerdem eine Temperaturerkennungsvorrichtung, die die Temperatur des Stators und des Rotors erkennt. Basierend auf den erkannten Temperaturen des Stators und des Rotors, einer Drehmomentspezifikation und vordefinierten Verteilung der thermischen Belastung des Stators und des Rotors wird ein Betriebspunkt der elektrischen Maschine berechnet. Der Betriebspunkt wird durch Berechnen einer d-Achsenkomponente eines Stromvektors und einer q-Achsenkomponente eines Stromvektors berechnet. Jedoch stellt das Patent, auf das sich bezogen wird, keine wirksame Lösung für die Optimierung der Temperatur und Kühlmittelmenge der elektrischen Maschine bereit.
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Es besteht daher ein Bedarf im Fachgebiet für ein einfaches und effizientes System und Verfahren zum Optimieren der Temperatur und Kühlmittelmenge der elektrischen Maschine, während die maximale Effizienz der elektrischen Maschine erreicht wird.
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Eine allgemeine Aufgabe dieser Offenbarung ist es, eine Technik bereitzustellen, um die maximale Effizienz von elektrischen Maschinen durch Optimieren einer Temperatur und Kühlmittelmenge der elektrischen Maschine zu erreichen.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung ist es, ein System bereitzustellen, das einen optimalen Punkt bestimmt, um Kern- und Rotorverluste einer elektrischen Maschine zu minimieren.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung ist es, ein System bereitzustellen, das eine Gesamteffizienz einer elektrischen Maschine verbessert, ohne Belastungsanforderungen wie z. B. Anforderungen bezüglich Drehmoments und Drehzahl zu beeinflussen.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung ist es, ein System bereitzustellen, das die Rotortemperatur verringert, wodurch die Zuverlässigkeit der elektrischen Maschine verbessert wird.
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Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung ist es, ein leicht zu implementierendes und kostengünstiges System und Verfahren zum Verringern von Schleppverlusten bereitzustellen, die aufgrund von Kühlmittel verursacht werden, das zwischen einem Rotor und einem Stator einer elektrischen Maschine fließt.
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Aspekte der vorliegenden Offenbarung betreffen ein verbessertes Steuerungssystem und Verfahren zum Optimieren von Temperatur und Kühlmittelmenge in einer elektrischen Maschine, um maximale Effizienz der elektrischen Maschine zu erreichen.
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In einem Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung ein Steuerungssystem für eine elektrische Maschine bereit. Das Steuerungssystem beinhaltet eine Steuerschaltung, umfassend einen oder mehrere Prozessoren, um Informationen im Zusammenhang mit einer oder mehreren Eigenschaften in Verbindung mit Belastung der elektrischen Maschine und Temperatur eines Stators der elektrischen Maschine zu empfangen, und wenn die Temperatur des Stators niedriger als eine Schwellenwerttemperatur ist, einen Betriebspunkt der elektrischen Maschine basierend auf der einen oder den mehreren Eigenschaften der Belastung der elektrischen Maschine zu bestimmen. Der Betriebspunkt ist in einer Feldschwächungszone bestimmt, sodass ein Rotorverlust der elektrischen Maschine verringert wird und ein Statorverlust der elektrischen Maschine erhöht wird. Da die Verringerung des Rotorverlusts zu einer verringerten Wärmeerzeugung führt, wird ein geringerer Kühlmittelfluss benötigt, wodurch Schleppverlust verringert wird, der durch Viskosität des Kühlmittels verursacht wird, das zwischen dem Stator und einem Rotor der elektrischen Maschine fließt. Der eine oder die mehreren Prozessoren sind ferner konfiguriert, um den Rotorverlust der elektrischen Maschine basierend auf dem bestimmten Betriebspunkt zu schätzen und um eine Kühlmittelmenge basierend auf dem geschätzten Rotorverlust der elektrischen Maschine und dem entsprechenden Schleppverlust im Zusammenhang mit der elektrischen Maschine zu berechnen, was berücksichtigt wird, während der Betriebspunkt für die elektrische Maschine bestimmt wird.
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In einer Ausführungsform können die eine oder mehreren Eigenschaften jegliche oder eine Kombination aus einem Drehmomentwert und einem Drehzahlwert der elektrischen Maschine in Echtzeit, basierend auf der Belastung der elektrischen Maschine, beinhalten.
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In einer Ausführungsform kann der Betriebspunkt durch Berechnen von d-Achsenstrom entsprechend einer Längsachse der elektrischen Maschine und q-Achsenstrom entsprechend einer Quadraturachse der elektrischen Maschine gemäß einem feldorientierten Koordinatensystem bestimmt werden.
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In einer Ausführungsform kann die Steuerschaltung konfiguriert sein, um die Kühlmittelmenge basierend auf den geschätzten Rotorverlusten zu berechnen, wenn eine Verringerung des Rotorverlusts größer als ein Schwellenwertverlust ist.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Optimieren einer Kühlmittelmenge in einer elektrischen Maschine. Das Verfahren beinhaltet Schritte des Empfangens, durch einen oder mehrere Prozessoren, von Informationen im Zusammenhang mit einer oder mehreren Eigenschaften in Verbindung mit Belastung der elektrischen Maschine und Temperatur eines Stators der elektrischen Maschine, und wenn die Temperatur des Stators niedriger als eine Schwellenwerttemperatur ist, des Bestimmens, durch den einen oder die mehreren Prozessoren, eines Betriebspunkts der elektrischen Maschine basierend auf der einen oder den mehreren Eigenschaften der Belastung der elektrischen Maschine. Der Betriebspunkt ist in einer Feldschwächungszone bestimmt, sodass ein Rotorverlust der elektrischen Maschine verringert wird und ein Statorverlust der elektrischen Maschine erhöht wird, wobei eine Verringerung des Schleppverlusts aufgrund eines verringerten Kühlmittelflusses durch verringerten Rotorverlust berücksichtigt wird, während der Betriebspunkt für die elektrische Maschine bestimmt wird. Der Schleppverlust entspricht einem Verlust, der durch Fluidviskosität des Kühlmittels verursacht wird, das zwischen dem Stator und einem Rotor der elektrischen Maschine fließt. Die Verringerung des Rotorverlusts führt zu einer Verringerung des Schleppverlusts.
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In einer Ausführungsform kann das Verfahren ferner einen Schritt des Schätzens, durch den einen oder die mehreren Prozessoren, des Rotorverlusts der elektrischen Maschine basierend auf dem bestimmten Betriebspunkt, und des Berechnens, durch den einen oder die mehreren Prozessoren, einer Kühlmittelmenge basierend auf dem geschätzten Rotorverlust der elektrischen Maschine beinhalten. Der Schleppverlust im Zusammenhang mit der elektrischen Maschine wird basierend auf der berechneten Kühlmittelmenge verringert.
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Verschiedene Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile des Erfindungsgegenstands werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, zusammen mit den beigefügten Zeichnungen, in denen gleiche Ziffern gleiche Komponenten darstellen, deutlicher.
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Die beigefügten Zeichnungen sind beinhaltet, um ein weiteres Verständnis für die vorliegende Offenbarung bereitzustellen und sind in dieser Patentschrift integriert und bilden einen Teil dieser. Die Zeichnungen veranschaulichen beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung und dienen, zusammen mit der Beschreibung, dazu, die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung zu erklären.
- 1A und 1B veranschaulichen Blockdiagramme von herkömmlichen Vektorsteuerungstechniken.
- 2A veranschaulicht ein beispielhaftes Blockdiagramm des vorgeschlagenen Systems gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
- 2B veranschaulicht beispielhaft darstellende Funktionseinheiten einer Steuerschaltung des vorgeschlagenen Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
- 3 veranschaulicht ein beispielhaftes Flussdiagramm des vorgeschlagenen Verfahrens zum Optimieren einer Kühlmittelmenge in einer elektrischen Maschine gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
- 4 veranschaulicht eine schematische Darstellung, die eine beispielhafte Implementierung des vorgeschlagenen Systems in einem Motorantrieb für einen Permanentmagnet-Synchronmotor gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt.
- 5A und 5B veranschaulichen beispielhafte Diagramme, die einen Locus eines Stromvektors bzw. ein Drehzahl-Drehmoment-Verhältnis gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigen.
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Das Folgende ist eine ausführliche Beschreibung von Ausführungsformen der Offenbarung, die in den beigefügten Zeichnungen abgebildet sind. Die Ausführungsformen sind so detailliert, um die Offenbarung klar zu kommunizieren. Jedoch soll die Menge der gebotenen Details die erwarteten Variationen von Ausführungsformen nicht beschränken; im Gegenteil sollen alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen, die in den Geist und Anwendungsbereich der vorliegenden Offenbarung fallen, abgedeckt werden, wie durch die angehängten Ansprüche definiert.
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Hier erklärte Ausführungsformen beziehen sich auf eine Technik zum Optimieren von Temperatur und Kühlmittelmenge in der elektrischen Maschine, ohne Belastungsanforderungen der elektrischen Maschine zu beeinflussen. In der elektrischen Maschine, wie z. B. Induktionsmotor, Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM) usw. fließt ein Kühlmittel zwischen einem Stator und einem Rotor, um die Temperatur der elektrischen Maschine zu verringern. Aufgrund eines Flusses des Kühlmittels zwischen dem Stator und dem Rotor tritt ein Schleppverlust in der elektrischen Maschine auf, wobei der Schleppverlust durch Fluidviskosität des Kühlmittels verursacht wird, das zwischen dem Stator und dem Rotor fließt. Daher muss der Fluss des Kühlmittels optimiert werden, um den Schleppverlust zu minimieren. Das vorgeschlagene System optimiert die Temperatur der elektrischen Maschine und optimiert somit die Kühlmittelanforderungen für die elektrische Maschine, was zu der Verringerung des Schleppverlusts der elektrischen Maschine führt. Anders gesagt bestimmt das vorgeschlagene System einen Betriebspunkt in einer Feldschwächungszone, sodass ein Rotorverlust der elektrischen Maschine verringert wird und ein Statorverlust der elektrischen Maschine erhöht wird. Die Verringerung des Rotorverlusts verringert die Temperatur des Rotors der elektrischen Maschine, wodurch eine verringerte Kühlmitteldurchflussmenge benötigt wird. Auf diese Weise werden Temperatur und Kühlmittelmenge in der elektrischen Maschine durch Verlagern von Verlusten von dem Rotor zu dem Stator optimiert. Die Verringerung der Kühlmittelmenge verursacht die Minimierung des Schleppverlusts, um eine bessere Effizienz der elektrischen Maschine zu erreichen.
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2A veranschaulicht ein beispielhaftes Blockdiagramm des vorgeschlagenen Systems 200 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Das vorgeschlagene System 200 kann eine Steuerschaltung 250 beinhalten, die konfiguriert sein kann, um eine Temperatur einer elektrischen Maschine zu minimieren sowie eine Summe der Gesamtverluste, einschließlich Kernverlust und Kupferverlust, und Schleppverluste der elektrischen Maschine zu minimieren. Folglich wird die maximale Effizienz der elektrischen Maschine erreicht.
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2B veranschaulicht ein beispielhaftes Blockdiagramm der Steuerschaltung 250 des vorgeschlagenen Steuerungssystems für die elektrische Maschine gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Die Steuerschaltung 250 kann einen oder mehrere Prozessoren) 202 beinhalten. Der eine oder die mehreren Prozessoren) 202 können als ein oder mehrere Mikroprozessoren, Mikrocomputer, Mikrocontroller, digitale Signalprozessoren, zentrale Steuereinheiten, Logikschaltungen und/oder jegliche Vorrichtungen implementiert sein, die Daten basierend auf Betriebsanweisungen manipulieren. Neben anderen Fähigkeiten sind der eine oder die mehreren Prozessoren) 202 konfiguriert, um computerlesbare Anweisungen, die in einem Speicher 204 der Steuerschaltung 250 gespeichert sind, abzurufen und auszuführen. Der Speicher 204 kann eine oder mehrere computerlesbare Anweisungen oder Routinen speichern, die abgerufen und ausgeführt werden können, um die Dateneinheiten über einen Netzwerkdienst zu erzeugen oder teilen. Der Speicher 204 kann jegliche nichttransitorische Speichervorrichtung beinhalten, einschließlich zum Beispiel flüchtiger Speicher wie z. B. RAM oder nichtflüchtiger Speicher wie z. B. EPROM, Flash-Speicher und dergleichen.
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In einer Ausführungsform kann die Steuerschaltung 250 auch eine Schnittstelle(n) 206 beinhalten. Die Schnittstelle(n) 206 können eine Vielzahl von Schnittstellen beinhalten, zum Beispiel Schnittstellen für Dateneingabe- und -ausgabevorrichtungen, die als E/A-Vorrichtungen bezeichnet werden, Speichervorrichtungen und dergleichen. Die Schnittstelle(n) 206 können die Kommunikation der Steuerschaltung 250 mit verschiedenen Vorrichtungen vereinfachen, die an die Steuerschaltung 250 gekoppelt sind. Die Schnittstelle(n) 206 können außerdem einen Kommunikationsweg für eine oder mehrere Komponenten der Steuerschaltung 250 bereitstellen. Beispiele für solche Komponenten beinhalten Verarbeitungsmaschine(n) 208 und eine Datenbank 210, sind jedoch nicht darauf beschränkt.
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In einer Ausführungsform kann/können die Verarbeitungsmaschine(n) 208 als eine Kombination aus Hardware und Programmierung implementiert sein (zum Beispiel programmierbare Anweisungen), um eine oder mehrere Funktionalitäten des/der Verarbeitungsmaschine(n) 208 zu implementieren. In hier beschriebenen Beispielen können solche Kombinationen aus Hardware und Programmierung auf mehrere unterschiedliche Arten implementiert sein. Zum Beispiel kann die Programmierung für die Verarbeitungsmaschine(n) 208 von einem Prozessor ausführbare Anweisungen sein, die auf einem nichttransitorischen, maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert sind, und die Hardware für die Verarbeitungsmaschine(n) 208 kann eine Verarbeitungsressource (zum Beispiel einen oder mehrere Prozessoren) beinhalten, um solche Anweisungen auszuführen. In den vorliegenden Beispielen kann das maschinenlesbare Speichermedium Anweisungen speichern, die, wenn sie durch die Verarbeitungsressource ausgeführt werden, die Verarbeitungsmaschine(n) 208 implementieren. In solchen Beispielen kann die Steuerschaltung 250 das maschinenlesbare Speichermedium, das die Anweisungen speichert, und die Verarbeitungsressource beinhalten, um die Anweisungen auszuführen, oder das maschinenlesbare Speichermedium kann separat aber für die Steuerschaltung 250 und die Verarbeitungsressource zugänglich sein. In anderen Beispielen kann/können die Verarbeitungsmaschine(n) 208 durch Elektronikschaltung implementiert sein. Die Datenbank 210 kann Daten beinhalten, die entweder gespeichert oder erzeugt werden als ein Resultat von Funktionalitäten, die durch jegliche der Komponenten der Verarbeitungsmaschine(n) 208 implementiert sind. In einer anderen Ausführungsform kann die Datenbank 210 Schwellenwertdaten, Referenzdaten und jegliche andere erforderliche Daten beinhalten.
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In einer Ausführungsform kann/können die Verarbeitungsmaschine(n) 208 eine Bestimmungseinheit 214, eine Schätzeinheit 216, eine Recheneinheit 218 und andere Einheit(en) 220 beinhalten. Die andere(n) Einheit(en) 220 kann/können Funktionalitäten implementieren, die Anwendungen oder Funktionen ergänzen, die durch die Steuerschaltung 250 oder die Verarbeitungsmaschine(n) 208 durchgeführt werden.
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In einer Ausführungsform kann die Bestimmungseinheit 214 konfiguriert sein, um Informationen im Zusammenhang mit einer oder mehreren Eigenschaften in Verbindung mit Belastung der elektrischen Maschine und einer Temperatur eines Stators der elektrischen Maschine zu empfangen. Das vorgeschlagene System 200 kann einen oder mehrere Temperatursensoren beinhalten, die mit dem Stator konfiguriert sind, um die Temperatur des Stators abzutasten, wobei der eine oder die mehreren Temperatursensoren kommunikativ mit dem/den Verarbeitungsmaschine(n) 208 gekoppelt sein können. Basierend auf den empfangenen einen oder mehreren Belastungseigenschaften und der Temperatur des Stators kann die Bestimmungseinheit 214 konfiguriert sein, um einen Betriebspunkt für die elektrische Maschine zu bestimmen. Insbesondere, wenn die Temperatur des Stators geringer als ein Schwellenwert ist, was ein vordefinierter Schwellenwert sein kann, kann die Bestimmungseinheit 214 konfiguriert sein, um einen Betriebspunkt für die elektrische Maschine basierend auf den Belastungseigenschaften der elektrischen Maschine zu bestimmen. In einer beispielhaften Ausführungsform können die eine oder mehreren Eigenschaften jegliche oder eine Kombination aus einem Drehmomentwert und einem Drehzahlwert der elektrischen Maschine in Echtzeit gemäß der Belastungsanforderung beinhalten.
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In einer Ausführungsform kann der Betriebspunkt gemäß einem feldorientierten Koordinatensystem ausgedrückt werden, wobei der Strom in d-Achsenstrom entsprechend einer Längsachse der elektrischen Maschine, d. h. einer Achse des Rotors, und q-Achsenstrom entsprechend einer Quadraturachse der elektrischen Maschine senkrecht zu der Längsachse aufgeteilt ist. In solchen Fällen wird der Betriebspunkt durch Berechnen von d-Achsenstrom entsprechend der Längsachse der elektrischen Maschine und q-Achsenstrom entsprechend der Quadraturachse der elektrischen Maschine gemäß dem feldorientierten Koordinatensystem bestimmt.
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Der Betriebspunkt kann in einer Feldschwächungszone bestimmt werden, sodass ein Rotorverlust der elektrischen Maschine verringert wird und ein Statorverlust der elektrischen Maschine erhöht wird. Während der Betriebspunkt für die elektrische Maschine bestimmt wird, wird ein Schleppverlust im Zusammenhang mit der elektrischen Maschine berücksichtigt. Der Schleppverlust kann einem Verlust entsprechen, der durch Fluidviskosität des Kühlmittels verursacht wird, das zwischen dem Stator und einem Rotor der elektrischen Maschine fließt. Die Verringerung des Rotorverlusts führt zu einer verringerten Rotortemperatur, wodurch eine geringere Kühlmitteldurchflussmenge mit einer entsprechenden Verringerung des Schleppverlusts benötigt wird. Der Betriebspunkt wird an dem höheren absoluten d-Achsenstrom in negativer Richtung basierend auf den Belastungseigenschaften bestimmt, wie in 5A gezeigt, was zu einer höheren Verringerung des Flusses führt, und daher wird der Kernverlust im Vergleich zu den herkömmlichen Vektorsteuerungstechniken verringert. Die höhere Verringerung des Flusses erhöht die Kupferverluste für die elektrische Maschine. Da die Kernverluste hauptsächlich den Rotor erhitzen und ohmsche Verluste hauptsächlich den Stator erhitzen, kann die Wärmeableitung zu dem Stator verlagert werden und somit bleibt der Rotor kühler.
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In einer Ausführungsform kann die Schätzeinheit 216 konfiguriert sein, um den Rotorverlust der elektrischen Maschine basierend auf dem bestimmten Betriebspunkt zu schätzen. Genauer, basierend auf dem berechneten d-Achsenstrom und q-Achsenstrom, kann die Schätzeinheit 216 konfiguriert sein, um den Rotorverlust der elektrischen Maschine zu schätzen. In einem Beispiel bezieht sich der Rotorverlust auf einen Kernverlust, der im Rotor auftritt.
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In einer Ausführungsform kann die Schätzeinheit 216 außerdem konfiguriert sein, um eine Reduktion im Rotorverlust in Bezug auf einen vorbestimmten Rotorverlust zu schätzen. In einem Beispiel kann die Schätzeinheit 216 konfiguriert sein, um, in Echtzeit, den Rotorverlust basierend auf dem bestimmten Betriebspunkt zu schätzen. Die Schätzeinheit 216 kann dann eine Differenz zwischen dem geschätzten Rotorverlust in Echtzeit und dem vorbestimmten Rotorverlust bestimmen, um die Verringerung des Rotorverlusts zu schätzen.
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In einer Ausführungsform kann die Recheneinheit 218 konfiguriert sein, um eine Kühlmittelmenge basierend auf dem geschätzten Rotorverlust der elektrischen Maschine zu berechnen. In einer Ausführungsform wird die Kühlmittelmenge berechnet, wenn die Verringerung des Rotorverlusts größer als ein vorbestimmter Schwellenwertverlust ist. Die Verringerung des Rotorverlusts kann die Temperatur des Rotors senken, wodurch die Notwendigkeit des Kühlmittels verringert wird. Daher wird die Kühlmittelmenge im Vergleich zu der vorbestimmten Kühlmittelmenge verringert, was wiederum den Schleppverlust verringert, der durch die zusätzliche Reibung aufgrund von Kühlmittelfluss verursacht wird. Während der Rotorverlust und Schleppverlust weitgehend verringert werden, wird die Effizienz der elektrischen Maschine im Vergleich zu den herkömmlichen Vektorsteuerungstechniken erhöht.
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3 veranschaulicht ein beispielhaftes Flussdiagramm des vorgeschlagenen Verfahrens zum Optimieren einer Kühlmittelmenge in einer elektrischen Maschine gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. In einer Ausführungsform kann das vorgeschlagene Verfahren in dem oben offenbarten System implementiert sein. Das vorgeschlagene Verfahren 300 kann einen Block 301 beinhalten, der Informationen im Zusammenhang mit einer oder mehreren Eigenschaften in Verbindung mit Belastung der elektrischen Maschine und einer Temperatur eines Stators der elektrischen Maschine unter Verwendung einer Steuerschaltung empfängt.
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In einer Ausführungsform kann das vorgeschlagene Verfahren 300 das Bestimmen, ob die Temperatur des Stators niedriger als eine Schwellenwerttemperatur bei Block 303 ist, und bei Block 305 das Bestimmen eines Betriebspunkts für die elektrische Maschine basierend auf der einen oder den mehreren Eigenschaften der Belastung einer elektrischen Maschine beinhalten, wenn die Temperatur des Stators niedriger als eine Schwellenwerttemperatur ist. Der Betriebspunkt kann in einer Feldschwächungszone bestimmt werden, sodass ein Rotorverlust der elektrischen Maschine verringert wird und ein Statorverlust der elektrischen Maschine erhöht wird. In einer Ausführungsform wird ein Schleppverlust im Zusammenhang mit der elektrischen Maschine berücksichtigt, während der Betriebspunkt für die elektrische Maschine bestimmt wird. Der Schleppverlust entspricht einem Verlust, der durch Fluidviskosität eines Kühlmittels verursacht wird, das zwischen dem Stator und einem Rotor der elektrischen Maschine fließt. Die Verringerung des Rotorverlusts führt zu einer Verringerung des Schleppverlusts.
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In anderen Ausführungsformen kann das Verfahren 300 bei Block 307 das Schätzen des Rotorverlusts der elektrischen Maschine basierend auf dem bestimmten Betriebspunkt und bei Block 309 das Bestimmen beinhalten, ob eine Verringerung des Rotorverlusts größer als ein Schwellenwertverlust unter Verwendung der Steuerschaltung ist.
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In noch einer anderen Ausführungsform kann das Verfahren 300 an Block 311 das Berechnen einer Kühlmittelmenge basierend auf dem schätzten Rotorverlust der elektrischen Maschine beinhalten, wenn die Verringerung des Rotorverlusts größer als ein Schwellenwertverlust unter Verwendung der Steuerschaltung ist.
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In einer Ausführungsform wären das vorgeschlagene System und Verfahren vorteilhafter für die elektrische Maschine, wie z. B. Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM), die konstruiert sind, um bei höheren Spannungen und kleineren Strömen zu arbeiten. Die PMSM, die in Elektrofahrzeugen verwendet werden, sind dazu ausgelegt, um aufgrund von Einschränkungen bei der Spannung gemäß Batterieeinschränkungen und Sicherheitsstandards bei hohen Strömen zu arbeiten, und daher spielt die Statortemperatur eine wichtige Rolle, während die Effizienz der elektrischen Maschine optimiert wird. In einem Beispiel, wenn der PMSM für die doppelte Spannung ausgelegt ist, würde sich der Nennstrom der Maschine bei gleicher Leistung halbieren. Folglich würden die Kupferverluste, die proportional zum Quadrat des Stroms sind, um das Vierfache verringert werden und gleichzeitig wurden die Kernverluste, die von der Spannung abhängen, zunehmen. Mit einer solchen neu verteilten Verlustanordnung können die Gesamtverluste der elektrischen Maschine effizienter optimiert werden.
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Das vorgeschlagene Steuerungssystem verringert den Feldfluss erheblich, wobei der Feldfluss mit einer Zunahme der Drehmomentanforderungen erhöht werden muss. Jedoch, im Fall von elektrischen Maschinen wie z. B. PMSM, werden Flussdynamiken durch Permanentmagnet- und Statorzeitkonstanten gesteuert, die erheblich kleiner sind. Daher werden die Drehmomentreaktionszeiten nicht erheblich beeinflusst.
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4 veranschaulicht eine schematische Darstellung, die eine beispielhafte Implementierung des vorgeschlagenen Systems in einem Motorantrieb für einen Permanentmagnet-Synchronmotor gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt. Der Motorantrieb 400 kann die Steuerschaltung 250 und einen Motorschaltkreis 450 beinhalten. Der Motorschaltkreis 450 kann einen Stromregler, einen Wechselrichter, Motor usw. beinhalten.
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5A und 5B veranschaulichen beispielhafte Diagramme, die einen Locus des Stromvektors bzw. ein Drehzahl-Drehmoment-Verhältnis gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigen. 5A und 5B zeigen einen Lastbetrieb eines PMSM in verschiedenen Betriebsbereichen gemäß dem vorgeschlagenen System 200. Betrieb des vorgeschlagenen Systems 200 kann durch einen ersten Bereich 501 und einen zweiten Bereich 502 veranschaulicht werden. Gemäß einer herkömmlichen MTPA-Technik wäre Punkt A in 5A der Betriebspunkt bis zu einer Grundgeschwindigkeit. Für das gleiche Drehmoment kann der Betriebspunkt auf einer konstanten Drehmomentkurve verlagert werden, gezeigt in 5A in Abschnitt AB in dem ersten Bereich 501. Das vorgeschlagene System bestimmt einen optimalen Punkt in dem ersten Bereich 501 zum Minimieren der Kern- und Rotorverluste basierend auf den anfänglichen Motorbedingungen, wie z. B. Statorwicklungstemperatur usw. Das vorgeschlagene System wäre für hohe Spannungen und niedrige Nennströme vorteilhaft. Im Fall von mehrphasigen Maschinen wird das vorgeschlagene System vorteilhafter.
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Daher stellt die vorliegende Offenbarung eine verbesserte Vektorsteuerungstechnik für eine elektrische Maschine bereit, die die Gesamtverluste einschließlich elektrischer und mechanischer Verluste der elektrischen Maschine minimiert, wodurch die maximale Effizienz der elektrischen Maschine erreicht wird. Die vorgeschlagene Technik verwendet das Feldschwächungsverfahren zum Bestimmen eines besseren Betriebspunkts mit verringerten Verlusten, ohne die Belastungsanforderungen, wie z. B. Drehmomentanforderung, zu beeinflussen. Insbesondere verteilt die vorgeschlagene Technik die Verluste durch bewusstes Betreiben der elektrischen Maschine in einer Feldschwächungszone neu, was zu einer Zunahme des Stroms in der elektrischen Maschine führt. Die angelegte Spannung wird durch Zulassen einer leichten Zunahme in den Strömen verringert. Folglich optimiert sie nicht nur den Kupferverlust und Eisenverlust, sondern verringert außerdem die Schleppverluste im Zusammenhang mit dem Kühlmittel, während die maximale Effizienz der elektrischen Maschine erreicht wird.
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Während das Vorhergehende verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschreibt, können andere und weitere Ausführungsformen der Erfindung entwickelt werden, ohne von dem grundlegenden Anwendungsbereich davon abzuweichen. Der Anwendungsbereich der Erfindung wird durch die folgenden Ansprüche bestimmt. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen, Versionen oder Beispiele beschränkt, die beinhaltet sind, um einer Fachperson zu ermöglichen, die Erfindung herzustellen und zu verwenden, wenn dies mit Informationen und Kenntnissen kombiniert ist, die der Fachperson zugänglich sind.
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Die vorliegende Offenbarung stellt eine Technik bereit, um die maximale Effizienz von elektrischen Maschinen durch Optimieren einer Temperatur und Kühlmittelmenge der elektrischen Maschine zu erreichen.
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Die vorliegende Offenbarung stellt ein System und Verfahren bereit, um einen optimalen Punkt zu bestimmen, um Kern- und Rotorverluste einer elektrischen Maschine zu minimieren.
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Die vorliegende Offenbarung stellt ein System bereit, das eine Gesamteffizienz einer elektrischen Maschine verbessert, ohne Belastungsanforderungen wie z. B. Anforderungen bezüglich Drehmoments und Drehzahl zu beeinflussen.
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Die vorliegende Offenbarung stellt ein System bereit, das die Rotortemperatur verringert, wodurch die Zuverlässigkeit der elektrischen Maschine verbessert wird.
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Die vorliegende Offenbarung stellt ein leicht zu implementierendes und kostengünstiges System und Verfahren zum Verringern von Schleppverlusten bereit, die aufgrund von Kühlmittel verursacht werden, das zwischen einem Rotor und einem Stator einer elektrischen Maschine fließt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 20120081047 A1 [0004]
- US 10148208 B2 [0005]
