DE102022122018A1

DE102022122018A1 - Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur eines Elektromotors

Info

Publication number: DE102022122018A1
Application number: DE102022122018.4A
Authority: DE
Inventors: Christian Bauer; Ralph Bernasconi; Ingo Növermann
Original assignee: Kiekert AG
Current assignee: Kiekert AG
Priority date: 2022-08-31
Filing date: 2022-08-31
Publication date: 2024-02-29
Also published as: WO2024046519A1

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur eines Elektromotors (1). Dazu ist ein Verfahren zur Bestimmung der Rotortemperatur (TR) und der Statortemperatur (Ts) eines einen Rotor (7) und einen Stator (4) aufweisenden Elektromotors (1) vorgesehen, das die folgenden Verfahrensschritte umfasst:Ermitteln der aktuell außerhalb des Elektromotors (1) herrschenden Außentemperatur (Ta) und der aktuellen Verlustleistung (Pv) des Elektromotors (1),Bereitstellen einer Transferfunktion (TF), die auf die die Eingabe der außerhalb des Elektromotors (1) herrschenden Außentemperatur (Ta) und der Verlustleistung (Pv) des Elektromotors (1) die Rotortemperatur (TR) und die Statortemperatur (Ts) liefert,Eingeben der ermittelten aktuell außerhalb des Elektromotors herrschenden Außentemperatur (Ta) und der ermittelten aktuellen Verlustleistung (Pv) des Elektromotors (1) in die Transferfunktion (TF) undBerechnen der Rotortemperatur (TR) und der Statortemperatur (Ts) mittels der Transferfunktion (TF).Damit wird es ermöglicht, die Temperaturen, die in einem zum Beispiel zum automatischen Öffnen und Schließen von Fahrzeugtüren eingesetzten Elektromotor (1) vorherrschen, ohne dedizierten Einsatz eines Temperatursensoren auf einfache und effiziente Weise zu bestimmen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur eines Elektromotors.
Aktuierte Komponenten, zum Beispiel zum automatischen Öffnen und Schlie-ßen von Fahrzeugtüren, sind in der Regel mit Elektromotoren und anderen Komponenten ausgestattet, die eine hohe Leistungsaufnahme haben und daher entsprechend starke Wärmeentwicklungen aufweisen. Die Temperatur an diesen Komponenten hat einen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit. So verlieren zum Beispiel Gleichstromelektromotoren (DC-Elektromotoren) mit steigenden Temperaturen deutlich an Leistung. Zudem gibt es eine kritische Temperatur, bei der irreversible Schädigungen eintreten können. So kann beispielsweise der Spulenlack verdampfen oder sich verflüssigen, was in einer Spulenwicklung zum Kurzschlussführt. Die verbauten Komponenten, die direkt am Kraftschluss oder der Kraftübertragung beteiligt sind, besitzen typischerweise keinen Schutz gegen Beschädigungen durch zu hohe Temperaturen.
Eine Temperaturüberwachung dieser Komponenten und entsprechende Algorithmen zum Schutz der Komponenten sind daher unverzichtbar. Aus Gründen der begrenzten Anzahl an Signaleingängen an für solche Komponenten verwendeten Steuergeräten (ECUs), maximalen Gewichts- und Größenvorgaben und aus Kostengründen werden hierbei in der Regel keine dedizierten Temperatursensoren verbaut. Die Temperaturüberwachung muss also auf einem anderen Wege stattfinden.
Die DE 10 2020 112 200 A1 beschreibt ein Verfahren zur Temperaturberechnung an einer elektrischen Antriebseinheit, die einen einen Stator und einen Rotor aufweisenden Elektromotor umfasst. Eine Temperatur wird als Modellausgangsgröße in Abhängigkeit von einer Eingangsgröße mittels eines auf einem Zustandsraummodell aufbauenden Temperaturmodell berechnet. Die Eingangsgröße ist für einen Wärmeeintrag in die elektrische Antriebseinheit kennzeichnend und kann eine Leistung, eine Spannung und/oder ein Wärmefluss sein. Dabei wird das Luenberger-Beobachtermodell angewandt, in dem ein Systembeobachter eine Zustandsgröße abhängig von einer Ausgangsgrö-ßendifferenz zwischen einer Messgröße und der Modellausgangsgröße regelt und eine Ausgabe der Modellzustandsgröße bewirkt. Die Messgröße entspricht dabei einer Ist-Temperatur an wenigstens einer Position der elektrischen Antriebseinheit und ist über einen entsprechenden Sensor ermittelbar. Die Modellzustandsgröße wird derart geregelt, dass die Ausgangsgrößendifferenz minimal ist. Das Temperaturmodell wird also fortlaufend durch die Ist-Temperatur getestet. Die Minimierung der Ausgangsgrößendifferenz liefert eine Temperaturvorhersage für die elektrische Antriebseinheit in Gänze, so dass ein Vergleich mit der Ist-Temperatur an einem Messpunkt ein Maß für den Fehler des Zustandsraummodells darstellt. Ein Erfassungszustandssignal kann eine Störung und einen Regelbetrieb des Sensors anzeigen, so dass zwischen einem Regelungsbetrieb, bei dem die Modellzustandsgröße abhängig von der Ausgangsgrößendifferenz geregelt wird, und einem Durchgangsbetrieb umschaltbar ist, bei dem die Modellzustandsgröße von der Messgröße unabhängig berechnet wird.
Die DE 10 2019 105 081 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Wicklungstemperatur einer mit einem Stator und einem Rotor ausgebildeten Drehfeldmaschine. Dazu wird der Skin-Effekt zur Ermittlung der Wicklungstemperatur bei hochfrequenten Strömen genutzt. Ein Stromregler prägt einer Wicklungsspannung ein hochfrequentes Spannungssignal auf, woraus ein Wicklungsstrom mit einem hochfrequent überlagertem Stromanteil für die Wicklung erhalten wird. Dieser wird dann einem Kalman-Filter zugeführt, welcher als Widerstandsschätzer im Hochfrequenzmodell dient. Der geschätzte Widerstand wird genutzt, um mittels eines Rechenmoduls die Wicklungstemperatur zu ermitteln.
Die DE 10 2019 101 163 B3 beschreibt ein Verfahren zur Temperaturberechnung in einer elektrischen Antriebseinheit. Die elektrische Antriebseinheit ist in mindestens zwei Temperaturerfassungsbereiche aufgeteilt, wobei ein erstes Berechnungsmodul einen ersten, von einem ersten Eingangswert abhängigen Temperaturwert sowie einen zweiten, von einem zweiten Eingangswert abhängigen Temperaturwert berechnet. Die Eingangswerte können jeweils den Wärmeverlustleistungen entsprechen und können von einem elektrischen Strom abhängen. Diese Abhängigkeit kann über eine Lookup-Tabelle und/oder über eine analytische Funktion zugeordnet werden. Mit einem zweiten Berechnungsmodul werden schließlich Nichtlinearitäten berücksichtigt, die aufgrund wärmetechnischer Kopplungen, wie Wärmewiderstände, zwischen den Temperaturerfassungsbereichen auftreten.
Die DE 10 2018 130 495 A1 beschreibt ein Verfahren zur laufenden Zustandsüberwachung eines Elektromotors, aufweisend wenigstens zwei Elektromotorphasen zum Bewirken einer Drehbewegung des Rotors gegenüber dem Stator, wobei in einem Betriebszustand des Elektromotors der ersten Elektromotorphase ein erster Energieverlust und der zweiten Elektromotorphase ein zweiter Energieverlust zugeordnet ist, wobei eine Temperaturermittlung im Betrieb des Elektromotors erfolgt, indem zunächst eine erste Temperaturberechnung zur Abschätzung einer Temperatur der ersten Elektromotorphase durchgeführt wird, wobei die erste Temperaturberechnung eine Energieverlustschätzung, bei der wenigstens ein erster Energieverlustwert der ersten Elektromotorphase und eine Temperaturschätzung, bei der eine von dem ersten Energieverlustwert abhängige Temperatur der ersten Elektromotorphase als erster Temperaturwert berechnet wird, einbezieht und anschließend eine zweite Temperaturberechnung zur Abschätzung einer Temperatur der zweiten Elektromotorphase durchgeführt wird, bei der abhängig von dem ersten Temperaturwert und einer Energieverlustdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Energieverlust eine Temperatur der zweiten Elektromotorphase als zweiter Temperaturwert berechnet wird.
Ausgehend hiervon ist es die Aufgabe der Erfindung, Temperaturen, die in einem zum Beispiel zum automatischen Öffnen und Schließen von Fahrzeugtüren eingesetzten Elektromotor vorherrschen, ohne dedizierten Einsatz eines Temperatursensoren auf einfache und effiziente Weise zu bestimmen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Erfindungsgemäß wird also ein Verfahren zur Bestimmung der Temperatur eines Elektromotors bereitgestellt, das die folgenden Verfahrensschritte umfasst:

Ermitteln der aktuell außerhalb des Elektromotors herrschenden Außentemperatur und der aktuellen Verlustleistung des Elektromotors,
Bereitstellen einer Transferfunktion, die auf die die Eingabe der außerhalb des Elektromotors herrschenden Außentemperatur und der Verlustleistung des Elektromotors die Temperatur des Elektromotors liefert,
Eingeben der ermittelten aktuell außerhalb des Elektromotors herrschenden Außentemperatur und der ermittelten aktuellen Verlustleistung des Elektromotors in die Transferfunktion und
Berechnen der Temperatur des Elektromotors mittels der Transferfunktion.

Es ist somit ein maßgeblicher Aspekt der Erfindung, eine Bestimmung der Temperatur des Rotors bzw. des Stators des Elektromotors auf der Grundlage von solchen Signalen durchzuführen, die typischerweise bereits in einem Motorsteuergerät für den Elektromotor zur Verfügung stehen bzw. aus diesen Signalen abgeleitet werden können. Solche Signale sind z.B. die außerhalb des Elektromotors herrschende Außentemperatur und die Verlustleistung des Elektromotors, die erfindungsgemäß zur Bestimmung des Rotors bzw. des Stators des Elektromotors verwendet werden. Das Vorsehen eines dedizierten Temperatursensors am bzw. im Elektromotor kann auf diese Weise vermieden werden, was vorteilhaft im Hinblick auf Baugrößenbeschränkungen und unter Kostenaspekten ist.
Grundsätzlich ist es möglich, die Verlustleistung des Elektromotors in Abhängigkeit von unterschiedlichen Werten zu bestimmten. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass die Verlustleistung des Elektromotors in Abhängigkeit der Eingangsspannung des Elektromotors, des Eingangsstroms des Elektromotors und der Elektromotorgeschwindigkeit des Elektromotors ermittelt wird. Dies sind Werte, die typischerweise bereits im Motorsteuergerät (ECU) für den Elektromotor zur Verfügung stehen, so dass ihre Bestimmung keinen zusätzlichen Aufwand bedeutet.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung gilt weiterhin, dass die Verlustleistung des Elektromotors in Abhängigkeit der aktuellen Rotortemperatur ermittelt wird, wozu die aktuell ermittelte Rotortemperatur in die Ermittlung der Verlustleistung zurückgespeist wird. Dass die aktuellen Rotortemperatur für die Ermittlung der Verlustleistung des Elektromotors verwendet wird, ist insofern unproblematisch, als dass die Rotortemperatur immer bekannt ist. Mit der Inbetriebnahme des Elektromotors entspricht die Rotortemperatur nämlich der Umgebungstemperatur, die vorliegend auch als Außentemperatur bezeichnet wird. Ausgehend davon wird die Rotortemperatur mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens laufend ermittelt, so dass sie - ebenfalls laufend - in den Prozess zur Ermittlung der Verlustleistung des Elektromotors zurückgespeist werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist weiterhin vorgesehen, dass die Verlustleistung des Elektromotors in Abhängigkeit wenigstens eines vorab bestimmten Wertes ermittelt wird, der sich aus der Kennlinie des Elektromotors ergeben hat. Dies bedeutet, dass der Elektromotor bzw. ein Elektromotor des in Rede stehenden Typs vorab im Hinblick auf seine Kennlinie getestet wird. Dabei wird vorzugsweise die Drehzahlkonstante des Elektromotors und/oder die Elektromotorkonstante des Elektromotors ermittelt, so dass die Verlustleistung des Elektromotors in Abhängigkeit der Drehzahlkonstante des Elektromotors und/oder der Elektromotorkonstante des Elektromotors ermittelt wird.
Die Elektromotorkonstante bezeichnet das Verhältnis zwischen dem Drehmoment des Elektromotors und der Quadratwurzel der Verlustleistung des Elektromotors und beschreibt damit im Wesentlichen das Vermögen des Elektromotors, elektrische Leistung in mechanische Leistung umzuwandeln. Die Drehzahlkonstante, auch spezifische Drehzahl genannt, bezeichnet das Verhältnis der Drehzahl des Elektromotors zu der in der Wicklung induzierten Spannung.
Wie zuvor schon angesprochen, kann die Verlustleistung im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich auf unterschiedliche Weisen berechnet werden. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird die Verlustleistung P_v des Elektromotors jedoch mit folgender Formel berechnet: $P_{v} = (U * I) - (I * k_{t} (T_{R}) * v * (\frac{k_{t} (T_{R})}{k_{m} (T_{R})})) = (U * I) - (\frac{I * v * k_{t} {(T_{R})}^{2}}{k_{m} (T_{R})}),$
wobei

U die Eingangsspannung des Elektromotors,
I der Eingangsstrom des Elektromotors,
k_t die Drehzahlkonstante des Elektromotors,
k_m die Elektromotorkonstante des Elektromotors,
T_R die Rotortemperatur des Elektromotors und
v die Elektromotorgeschwindigkeit ist.

Auch als Transferfunktion kommen im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich unterschiedliche Funktionen in Betracht. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird als Transferfunktion jedoch die folgende Formel verwendet: $(\begin{array}{l} T_{R} \\ T_{s} \end{array}) = (\begin{matrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{matrix}) (\begin{array}{l} T_{R} \\ T_{s} \end{array}) + (\begin{matrix} 0 & 0 \end{matrix}) (\begin{array}{l} P_{v} \\ T_{a} \end{array}),$
wobei

T_R die Rotortemperatur des Elektromotors,
T_s die Statortemperatur des Elektromotors,
T_a die Außentemperatur und
P_v die Verlustleistung ist.

Die ermittelten Temperaturen von Stator und Rotor können nun im Rahmen der vorliegenden Erfindung auf unterschiedliche Weisen genutzt werden. So ist es gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, den Elektromotor abzuschalten, sobald die Statortemperatur eine vorbestimmte erste Statortemperaturschwelle und/oder die Rotortemperatur eine vorbestimmte erste Rotortemperaturschwelle überschritten hat. Ist also vorab bestimmt worden, was für eine Temperatur des Stators bzw. des Rotors als kritisch angesehen wird, so kann der Betrieb des Elektromotors oberhalb dieser kritischen Temperatur, nämlich oberhalb der vorbestimmten ersten Statortemperaturschwelle bzw. oberhalb der vorbestimmten ersten Rotortemperaturschwelle eingestellt werden, damit es zu keinen Beschädigungen des Elektromotors kommt.
Vorzugsweise erfolgt ein Wiederanschalten des Elektromotors nicht sofort dann, wenn die vorbestimmte erste Statortemperaturschwelle bzw. die vorbestimmte erste Rotortemperaturschwelle wieder unterschritten worden ist. Vielmehr ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass ein Wiederanschalten des Elektromotors erst dann erfolgt, wenn die Statortemperatur eine vorbestimmte zweite Statortemperaturschwelle bzw. die Rotortemperatur eine vorbestimmte zweite Rotortemperaturschwelle unterschritten hat, wobei die erste Statortemperaturschwelle einer größeren Temperatur entspricht als die zweite Statortemperaturschwelle und die erste Rotortemperaturschwelle einer größeren Temperatur entspricht als die zweite Rotortemperaturschwelle. Die Reaktivierung der Motorfunktion erfolgt also erst nach ausreichender Abkühlung unter eine Temperatur, die geringer ist als die Temperatur, bei der der Elektromotor abgeschaltet worden ist, um ein Pendeln des Betriebs des Elektromotors um den Abschaltschwellwert zu vermeiden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die Leistung des Elektromotors in Abhängigkeit der aktuell berechneten Rotortemperatur und/oder der aktuell berechneten Statortemperatur angepasst wird, wobei dazu die Leistung des Elektromotors reduziert wird, sobald eine dritte Rotortemperaturschwelle bzw. eine dritte Statortemperaturschwelle überschritten worden ist. Gemäß dieser Ausgestaltung wird der Elektromotor bei steigender Temperatur also nicht direkt abgestellt. Vielmehr wird er mit geringerer Leistung weiter betrieben, wobei die Leistung immer geringer wird, je höher die Temperatur steigt.
Dies Ausgestaltung ist mit der zuvor genannten Ausgestaltung kombinierbar, dass der Elektromotor ab einer bestimmten Temperatur vollständig ausgeschaltet wird. Es erfolgt also erst ein Betrieb mit geringerer Leistung, bevor der Elektromotor abgeschaltet wird. Genauso ist die vorliegende Ausgestaltung damit kombinierbar, dass der Elektromotor erst wieder eingeschaltet wird, wenn die Temperatur unter eine Temperatur gefallen ist, die geringer ist als die Temperatur, bei der der Elektromotor ausgeschaltet worden ist.
Im Übrigen ist bei der vorliegenden Ausgestaltung des Verfahrens vorzugsweise vorgesehen, dass die Leistung des Elektromotors oberhalb der dritten Rotortemperaturschwelle bzw. der dritten Statortemperaturschwelle kontinuierlich reduziert wird. Mit steigender Temperatur wird also auch die Leistung des Elektromotors immer weiter reduziert bis er ggf. ganz ausgeschaltet wird.
Nachfolgend wir die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels weiter im Detail erläutert.
In den Zeichnungen zeigen

1 ein thermisches Ersatzschaltbild für den in 2 dargestellten Elektromotor,
2 schematisch einen Gleichstromelektromtor im Schnitt,
3 ein Berechnungsschema gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
4 ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die Grundidee der vorliegenden Erfindung liegt darin, aus Signalen, die an einem Steuergerät (ECU) für einen Elektromotor bereits verfügbar sind, eine Temperaturbestimmung für den Rotor und den Stator des Elektromotors durchzuführen. Auf diese Weise kann das Vorsehen eines dedizierten Temperatursensors für Komponenten des Elektromotors vermieden werden. Die Temperaturbestimmung für den Rotor und den Stator des Elektromotors kann für eine Thermoschutzfunktion verwendet werden, um den Elektromotor vor irreversiblen thermischen Schäden, wie Überhitzung der Magnete oder Verbrennen der Spulenlackierung, zu bewahren.
Das in 1 dargestellt thermische Ersatzschaltbild zeigt eine vereinfachte thermische Energieausbreitung in einem solchen Elektromotor 1, wie er schematisch in 2 im Schnitt dargestellt ist. Der Elektromotor ist eine Gleichstrommotor, der mit zwei Magneten 2 (N, S) ausgestattet ist, innerhalb derer sich der mit entsprechenden Wicklungen 6 versehene Rotor 7 dreht. Der Strom wird über zwei Anschlüsse 8 zugeführt, die zu zwei Bürsten 3 führen.
Der Stator 4 stellt gleichzeitig das Gehäuse des Elektromotors 1 dar und umgibt die Magneten 2 und den Rotor 7. Mit dem Rotor 7 ist eine in 2 nicht weiter dargestellte Welle verbunden.
Dabei sind in dem thermischen Ersatzschaltbild in 1

R₁ der thermische Übergangswiderstand zwischen Rotor und Stator,
C₁ die thermische Kapazität des Rotors,
R₂ der thermische Übergangswiderstand zwischen Stator und Umgebung, C₂ die thermische Kapazität des Stators,
T_R die Rotortemperatur,
T_S die Statortemperatur,
T_a die Außentemperatur,
ΔT_R die Differenz zwischen T_R und T_a,
ΔT_S die Differenz zwischen T_S und T_a und
P_v die thermische Verlustleistung.

Es sei darauf hingewiesen, dass in dem vorliegenden Modell die Verlustleistung ausschließlich am Rotor 7 auftritt.
Die Bestimmung der thermischen Parameter des Elektromotors erfolgt nun wie nachfolgend beschrieben: In einer Testvorrichtung wird der zu untersuchende Elektromotor 1 eingespannt und mit einer Konstantstromquelle betrieben. Der Elektromotor ist dabei mit mehreren Thermokopplern im Inneren ausgestattet, um möglichst alle Temperaturzustände während seines Betriebs aufzuzeichnen. Der Elektromotor 1 wird nun in mehreren Tests sowohl mit geblockter Welle als auch mit kontrollierter Bremsung und konstanter Rotationsgeschwindigkeit betrieben. Dabei werden Strom, Spannung, Drehzahl (entsprechend der Elektromotorgeschwindigkeit) und eine Mehrzahl von Temperaturen an verschiedenen Stellen in und am Elektromotor 1 sowie die Außentemperatur außerhalb des Elektromotors 1 aufgezeichnet. Diesen verschiedenen Stellen zur Aufzeichnung der jeweiligen Temperatur in und am Elektromotor 1 sind z.B. an der Außenseite des Stators 4, an der Innenseite des Stators 4, an den Magneten 2, im Bereich der Bürsten 3 und an den Wicklungen 6.
Für die Parameteridentifikation lassen sich aus dieser Aufzeichnung nun die thermischen Widerstände und die thermischen Kapazitäten der jeweiligen Bauteile identifizieren. Hierzu muss die Verlustleistung P_v bekannt sein. Diese ergibt sich aus der Differenz der Eingangsleistung P_I und der mechanischen Ausgangsleistung P_O: $P_{v} = P_{I} - P_{O}$
Für die Eingangsleistung P_I gilt: $P_{I} = U * I$
mit der Eingangsspannung U und dem Eingangsstrom I.
Die mechanische Ausgangsleistung ergibt sich zu: $P_{O} = M * v * \frac{k_{t}}{k_{m}} .$
Dabei sind M das Drehmoment und k_m(T) und k_t(T) die Elektromotorkonstante bzw. die Drehzahlkonstante in Abhängigkeit von der Temperatur. Diese Werte lassen sich aus der Kennlinie des Elektromotors bestimmen. Das Drehmoment M kann aus den Elektromotorkenndaten berechnet werden, wenn Drehzahl, Außentemperatur, Spannung und Strom bekannt sind.
Hiermit können nun in bekannter Weise die thermischen Widerstände und Kapazitäten ermittelt werden. Es werden in Summe zwei Parametersätze identifiziert: Für einen bewegten Elektromotor mit der maximal zu erwartenden Geschwindigkeit und für einen geblockten Elektromotor. Dies ist vorteilhaft, da sich der Elektromotor in beiden Fällen thermisch unterschiedlich verhält.
Eine In-Situ-Berechnung der Elektromotortemperatur erfolgt nun wie folgt: Da zum Rotor 6 als auch zum Stator 4 verschiedene Einzelkomponenten gehören, wird vorliegend so vorgegangen, dass alle Komponenten, die zum Rotor 6 gehören, über eine gemeinsame über diese Komponenten gemittelte Rotortemperatur erfasst werden. Entsprechend wird für die Statortemperatur vorgegangen.
Nun, da die thermischen Eigenschaften und der Temperaturfluss durch Rotor 6 und Stator 4 ermittelt wurden, kann das Model als an sich bekannte Zustandsraumdarstellung mit den Matrizen A, B, C und D erstellt werden: $\overset{\cdot}{\underline{Δ T}} = \underline{A} \underline{Δ T} + \underline{B} \underline{P}$
$\underline{T} = \underline{C} \underline{Δ T} + \underline{D} \underline{P}$
$\frac{d}{d t} (\begin{array}{l} Δ T_{R} \\ Δ T_{s} \end{array}) = (\begin{matrix} - \frac{1}{R_{1} C_{1}} & \frac{1}{R_{1} C_{1}} \\ \frac{1}{C_{1} R_{1}} & - \frac{(1 + \frac{R_{1}}{R_{2}})}{C_{2} R_{1}} \end{matrix}) (\begin{array}{l} T_{R} \\ T_{s} \end{array}) (\begin{matrix} \frac{1}{C_{1}} & 0 \\ 0 & - \frac{1}{C_{2} R_{1}} + \frac{(1 + \frac{R_{1}}{R_{2}})}{C_{2} R_{1}} \end{matrix}) (\begin{array}{l} P_{v} \\ T_{a} \end{array})$
Damit ergibt sich eine Transferfunktion zur Bestimmung der Rotor- und Statortemperatur in Abhängigkeit der Außentemperatur und der Verlustleistung: $(\begin{array}{l} T_{R} \\ T_{s} \end{array}) = (\begin{matrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{matrix}) (\begin{array}{l} T_{R} \\ T_{s} \end{array}) + (\begin{matrix} 0 & 0 \end{matrix}) (\begin{array}{l} P_{v} \\ T_{a} \end{array})$
Für diese Transferfunktion muss also neben der Außentemperatur T_a die Verlustleistung P_v bekannt sein. Die In-Situ-Berechnung der Verlustleistung erfolgt dabei wie folgt: Als Eingangswerte dienen die Eingangsspannung, der Eingangsstrom, die Elektromotorgeschwindigkeit (die proportional zur Drehzahl ist) und die Außentemperatur. Diese Werte sind in einem Fall, in dem der Elektromotor eine elektrische Schiebetüre eines Kraftfahrzeugs antreibt, ohnehin in der ECU des Elektromotors 1 verfügbar.
Es gilt nun: $P_{v} = P_{I} - P_{O}, P_{I} = U * I und P_{O} = M * v * \frac{k_{t}}{k_{m}} .$
v ist die Elektromotorgeschwindigkeit und bekannt, da der Elektromotor 1 vorliegend mit einem Hallsensor ausgestattet ist. M(T) ist das Drehmoment des Elektromotors 1. Es kann bestimmt werden durch $M (T) = I * k_{t} (T) .$
Da k_t abhängig ist von der Rotortemperatur T_R, ist auch M abhängig von T_R. Daraus ergibt sich zur Berechnung der Verlustleistung die folgende Formel VF: $P_{v} = (U * I) - (I * k_{t} (T_{R}) * v * (\frac{k_{t} (T_{R})}{k_{m} (T_{R})})) = (U * I) - (\frac{I * v * k_{t} {(T_{R})}^{2}}{k_{m} (T_{R})}) .$
In dieser Formel taucht auch die Rotortemperatur T_R auf. Das heißt, dass in der Gesamtfunktion die ermittelte Rotortemperatur T_R zurückgespeist werden muss, um das Drehmoment M, die Elektromotorkonstante k_t und Drehzahlkonstante k_m zu ermitteln.
Im Ergebnis ergibt sich damit eine Berechnungsschema wie schematisch in 3 dargestellt: Mittels einer Transferfunktion TF, die als Eingangsgrößen die Verlustenergie P_v des Elektromotors 1 und die Umgebungstemperatur T_a des Elektromotors 1 erhält, lassen sich die Rotortemperatur T_R und die Statortemperatur T_S berechnen. Während die Umgebungstemperatur T_a des Elektromotors 1 einfach messbar ist und in der ECU des Elektromotors 1 zur Verfügung steht, muss die Verlustleistung P_v des Elektromotors 1 noch bestimmt werden, und zwar mittels der zuvor genannten Formel VF, die als Eingangswerte die Eingangsspannung U, den Eingangsstrom I, die Elektromotorgeschwindigkeit v und die Rotortemperatur T_R erhält. Die Rotortemperatur T_R ist aber nur als Ergebnis der Transferfunktion TF bekannt, so dass sie in die Formel VF zurückgespeist werden muss.
Da auf diese Weise können die Rotortemperatur T_R und die Statortemperatur T_S im Betrieb des Elektromotors 1 jederzeit sehr genau bestimmt werden, so dass mit Hilfe dieser Informationen eine Temperaturreglung zum Schutz des Elektromotors 1 vor thermischen Schäden erfolgen kann. Eine Möglichkeit ist dabei die komplette Elektromotorabschaltung ab einem kritischen Temperaturschwellwert für die Rotortemperatur und/oder die Statortemperatur. Die Reaktivierung der Elektromotorfunktion erfolgt dann nach ausreichender Abkühlung unter einen anderen Temperaturschwellwert (Hysterese), der einer niedrigeren Temperatur entspricht, als der Temperaturschwellwert, bei dem die Abschaltung des Elektromotors 1 erfolgt ist, um ein Pendeln um den Abschaltschwellwert zu vermeiden.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Leistung je nach Elektromotortemperatur zu drosseln. Somit können ein längerer Betrieb ermöglicht und Leistungsspitzen verhindert werden. Dieser Modus ist mit dem zuvor genannten kombinierbar, so dass auch hier der Elektromotor 1 ganz abgeschaltet wird, wenn die Rotortemperatur oder die Statortemperatur einen kritischen Temperaturschwellwert übersteigt.
Der Ablauf eines Verfahrens nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung stellt sich dann beispielsweise unter Bezugnahme auf 4 wie folgt dar:

In Schritt S1 wird die aktuell außerhalb des Elektromotors 1 herrschenden Außentemperatur T_a und die aktuelle Verlustleistung P_v des Elektromotors 1 bestimmt. Dann werden in Schritt S2 die ermittelte aktuell außerhalb des Elektromotors herrschenden Außentemperatur T_a und die ermittelte aktuellen Verlustleistung P_v des Elektromotors 1 in die Transferfunktion TF eingegeben, und es erfolgt in Schritt S3 ein Berechnen der Rotortemperatur T_R und der Statortemperatur T_S mittels der Transferfunktion TF sowie in Schritt S4 ein Ausgeben der berechneten Rotortemperatur T_R und der berechneten Statortemperatur T_S an eine Motorschutzschaltung. Wie mit dem Pfeil zwischen Schritt S3 und dem Schritt S1 angedeutet, wiederholt sich dieser Prozess kontinuierlich, um eine kontinuierliche Überwachung der Motortemperaturen zu ermöglichen.

An Schritt S4 schließt sich nun in der Motorschutzschaltung ein Schritt S5 an, in dem ein Anpassen der Leistung des Elektromotors 1 in Abhängigkeit der aktuell berechneten Rotortemperatur T_R und der aktuell berechneten Statortemperatur T_s erfolgt, wobei die Leistung des Elektromotors 1 reduziert wird, sobald eine vorbestimmte Rotortemperaturschwelle bzw. eine vorbestimmte Statortemperaturschwelle überschritten worden ist. Dabei wird die Leistung des Elektromotors 1 oberhalb der Rotortemperaturschwelle bzw. der Statortemperaturschwelle kontinuierlich reduziert. Wird in Schritt S4 allerdings festgestellt, dass die Statortemperatur T_s sogar eine vorbestimmte maximale Statortemperaturschwelle oder die Rotortemperatur T_R eine vorbestimmte maximale Rotortemperaturschwelle überschritten hat, erfolgt ein vollständiges Abschalten des Elektromotors 1. In Schritt S5 schließlich erfolgt ein Wiederanschalten des Elektromotors 1 erst, sobald die Statortemperatur T_s eine vorbestimmte niedrigere Statortemperaturschwelle bzw. die Rotortemperatur T_R eine vorbestimmte niedrigere Rotortemperaturschwelle unterschritten hat, wobei die niedrigere Statortemperaturschwelle unterhalb der Statortemperaturschwelle liegt, bei der der Elektromotor 1ausgeschaltet worden ist, und die niedrigere Rotortemperaturschwelle unterhalb der der Rotortemperaturschwelle liegt, bei der der Elektromotor 1 ausgeschaltet worden ist.
Bezugszeichenliste

1: Elektromotor
2: Magnete
3: Bürsten
4: Stator
5: Kommutator
6: Wicklungen
7: Rotor
8: Anschlüsse
R1: thermischer Übergangswiderstand zwischen Rotor und Stator
C1: thermische Kapazität des Rotors
R2: thermischer Übergangswiderstand zwischen Stator und Umgebung
C2: thermische Kapazität des Stators
TR: Rotortemperatur
TS: Statortemperatur
ΔTR: Differenz zwischen T_R und T_a
ΔTS: Differenz zwischen T_S und T_a
Ta: Außentemperatur
Pv: thermische Verlustleistung
U: Eingangsspannung des Elektromotors
I: Eingangsstrom des Elektromotors
kt: Drehzahlkonstante des Elektromotors
km: Elektromotorkonstante des Elektromotors
v: Elektromotorgeschwindigkeit
M: Drehmoment des Elektromotors

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102020112200 A1 [0004]
DE 102019105081 A1 [0005]
DE 102019101163 B3 [0006]
DE 102018130495 A1 [0007]

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Rotortemperatur (T_R) und der Statortemperatur (T_S) eines einen Rotor (7) und einen Stator (4) aufweisenden Elektromotors (1), umfassend die folgenden Verfahrensschritte: Ermitteln der aktuell außerhalb des Elektromotors (1) herrschenden Außentemperatur (T_a) und der aktuellen Verlustleistung (P_v) des Elektromotors (1), Bereitstellen einer Transferfunktion (TF), die auf die die Eingabe der außerhalb des Elektromotors (1) herrschenden Außentemperatur (T_a) und der Verlustleistung (P_v) des Elektromotors (1) die Rotortemperatur (T_R) und die Statortemperatur (Ts) liefert, Eingeben der ermittelten aktuell außerhalb des Elektromotors herrschenden Außentemperatur (T_a) und der ermittelten aktuellen Verlustleistung (P_v) des Elektromotors (1) in die Transferfunktion (TF) und Berechnen der Rotortemperatur (T_R) und der Statortemperatur (Ts) mittels der Transferfunktion (TF).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verlustleistung (P_v) des Elektromotors (1) in Abhängigkeit der Eingangsspannung (U) des Elektromotors (1), des Eingangsstroms (I) des Elektromotors (1) und der Elektromotorgeschwindigkeit (v) des Elektromotors (1) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Verlustleistung (P_v) des Elektromotors (1) in Abhängigkeit der aktuellen Rotortemperatur (T_R) ermittelt wird, wozu die aktuell ermittelte Rotortemperatur (T_R) in die Ermittlung der Verlustleistung (P_v) zurückgespeist wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verlustleistung (P_v) des Elektromotors (1) in Abhängigkeit wenigstens eines vorab bestimmten Wertes ermittelt wird, der sich aus der Kennlinie des Elektromotors (1) ergeben hat.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Verlustleistung des Elektromotors in Abhängigkeit der Drehzahlkonstante (k_t) des Elektromotors (1) und/oder der Elektromotorkonstante (k_m) des Elektromotors (1) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verlustleistung (P_v) des Elektromotors (1) mit folgender Formel berechnet wird: $P_{v} = (U * I) - (I * k_{t} (T_{R}) * v * (\frac{k_{t} (T_{R})}{k_{m} (T_{R})})) = (U * I) - (\frac{I * v * k_{t} {(T_{R})}^{2}}{k_{m} (T_{R})}),$
wobei P_v die Verlustleistung des Elektromotors (1) U die Eingangsspannung des Elektromotors (1), I der Eingangsstrom des Elektromotors (1), k_t die Drehzahlkonstante des Elektromotors (1), k_m die Elektromotorkonstante des Elektromotors (1), T_R die Rotortemperatur des Elektromotors (1) und v die Elektromotorgeschwindigkeit ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Transferfunktion (TF) die folgende Formel verwendet wird: $(\begin{array}{l} T_{R} \\ T_{s} \end{array}) = (\begin{matrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{matrix}) (\begin{array}{l} T_{R} \\ T_{s} \end{array}) + (\begin{matrix} 0 & 0 \end{matrix}) (\begin{array}{l} P_{v} \\ T_{a} \end{array}),$
wobei T_R die Rotortemperatur des Elektromotors, T_S die Statortemperatur des Elektromotors, T_a die Außentemperatur und P_v die Verlustleistung ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit folgendem Verfahrensschritt: Abschalten des Elektromotors (1), sobald die Statortemperatur (T_s) eine vorbestimmte erste Statortemperaturschwelle und/oder die Rotortemperatur (T_R) eine vorbestimmte erste Rotortemperaturschwelle überschritten hat.
Verfahren nach Anspruch 8, mit folgendem Verfahrensschritt: Wiederanschalten des Elektromotors (1), sobald die Statortemperatur (T_s) eine vorbestimmte zweite Statortemperaturschwelle bzw. die Rotortemperatur (T_R) eine vorbestimmte zweite Rotortemperaturschwelle unterschritten hat, wobei die erste Statortemperaturschwelle einer größeren Temperatur entspricht als die zweite Statortemperaturschwelle und die erste Rotortemperaturschwelle einer größeren Temperatur entspricht als die zweite Rotortemperaturschwelle.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit folgendem Verfahrensschritt: Anpassen der Leistung des Elektromotors (1) in Abhängigkeit der aktuell berechneten Rotortemperatur (T_R) und/oder der aktuell berechneten Statortemperatur (T_s), wobei die Leistung des Elektromotors (1) reduziert wird sobald eine dritte Rotortemperaturschwelle bzw. eine dritte Statortemperaturschwelle überschritten worden ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Leistung des Elektromotors (1) oberhalb der dritten Rotortemperaturschwelle bzw. der dritten Statortemperaturschwelle kontinuierlich reduziert wird.