DE112021004269T5 - Parametereinstellvorrichtung zum Einstellen eines Parameters eines Modells für einen Elektromotor - Google Patents

Abstract

Bei der vorliegenden Erfindung weist ein Elektromotormodell Folgendes auf: ein Modell einer Spule eines Stators; und ein Modell eines Temperaturfühlers zum Erfassen der Temperatur der Spule. Ein Parameter, wie zum Beispiel eine Wärmekapazität, ist in dem Elektromotormodell enthalten. Eine Parametereinstelleinheit ist vorgesehen, die eine Parameterberechnungseinheit aufweist, die einen Parameter so berechnet, dass eine Änderung in der Temperatur des Modells des Temperaturfühlers einer Änderung in der tatsächlichen Temperatur entspricht. Die Parameterberechnungseinheit weist eine Auswerteeinheit auf, die die Temperatur des Modells des Temperaturfühlers auswertet, wobei diese Temperatur unter Verwendung des vorübergehend eingestellten Parameters berechnet wurde. Die Auswerteeinheit wertet die Temperatur des Modells des Temperaturfühlers aus, ohne neben der Temperatur des Modells des Temperaturfühlers irgendwelche Variablen auszuwerten.

Description

• Gebiet der Technik
• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Parametereinstellvorrichtung zum Einstellen eines Parameters eines Modells für einen Elektromotor.
• Stand der Technik
• Es ist allgemein bekannt, dass die Temperatur eines Elektromotors im Betrieb ansteigt. Wenn die Temperatur eines Elektromotors zu hoch wird, kann es sein, dass der Elektromotor nicht richtig funktioniert oder dass Bauteile beschädigt werden.
• Die tatsächliche Temperatur im Betriebszustand eines Elektromotors kann durch einen Temperaturfühler erfasst werden, der an einem Bauteil angebracht ist. Alternativ dazu ist aus dem verwandten Stand der Technik eine Simulationsvorrichtung zum Schätzen der Temperatur einer Maschine bekannt. Ein Bediener erstellt ein Computer Aided Design (CAD) Modell für eine Maschine und stellt Materialeigenschaften, Wärmeübertragungseigenschaften, oder dergleichen, für die Bauteile ein. Die Temperatur jedes Bauteils kann dann durch eine Finite-Elemente-Methode, oder dergleichen, geschätzt werden, die Berechnungen für jeden winzig kleinen Bereich einer Vorrichtung ausführt (siehe zum Beispiel JP 2020-12654 A ).
• Die Materialeigenschaften und die Wärmeübertragungseigenschaften des Bauteils hängen jedoch von den Oberflächeneigenschaften des Bauteils ab. Daher besteht ein Problem insofern als es für einen Bediener schwierig ist, genaue Werte einzugeben. Außerdem besteht ein Problem insofern als es schwierig ist, die Temperatur mit ausreichender Genauigkeit vorherzusagen. Darüber hinaus kann die Finite-Elemente-Methode die Bereiche, in die das Bauteil unterteilt ist, zwar klein machen, um die Genauigkeit der Temperaturschätzung zu verbessern. Je kleiner jedoch die Bereiche sind, in die das Bauteil unterteilt ist, desto größer ist der Rechenaufwand für die Berechnung der Wärmeübertragung.
• Zum Schätzen der Temperatur einer Maschine ist es bekannt, ein thermisches Modell zu verwenden, das die Wärmekapazitäten der Bauteile und die Wärmeübertragungen zwischen den Bauteilen berücksichtigt (siehe zum Beispiel JP 2014-36475 A , JP 2016-55657 A und JP 2018-527019 A ). In dem thermischen Modell kann die Temperatur jedes Bauteils berechnet werden, indem ein Wärmeübertragungskoeffizient oder ein Wärmewiderstand zwischen den einzelnen Bauteilen eingestellt und die Wärmeübertragungen zwischen den Bauteilen berechnet werden.
• Auch in einem Elektromotor ist eine Vorrichtung bekannt, die eine Temperatur im Betriebszustand des Elektromotors schätzt, indem ein thermisches Modell verwendet wird, das einen Statorkern, eine Spule, einen Rotorkern und dergleichen enthält (zum Beispiel JP 2008-109816 A ).
• [Liste der Anführungen]
• [Patentliteratur]
• Patentdokument 1: JP 2020-12654 A
• Patentdokument 2: JP 2014-36475 A
• Patentdokument 3: JP 2016-55657 A
• Patentdokument 4: JP 2018-527019 A
• Patentdokument 5: JP 2008-109816 A
• Zusammenfassung der Erfindung
• [Technische Aufgabe]
• Wenn ein Elektromotor in Betrieb ist, so entsteht Wärme im Statorkern, in der am Statorkern befestigten Spule, im Lager und dergleichen. Unter diesen kann die Temperatur der Spule, die durch die um den Statorkern gewickelte Wicklung gebildet ist, am höchsten sein. Der Temperaturfühler zum Erfassen der Temperatur des Elektromotors kann zum Beispiel so angeordnet sein, dass er die Temperatur der Spule erfasst.
• Die Steuereinrichtung eines Elektromotors kann bestimmen, dass der Elektromotor überhitzt ist, wenn die von dem Temperaturfühler ausgegebene Temperatur höher ist als ein Temperaturbestimmungswert. In diesem Fall kann der Betriebszustand des Elektromotors nicht aufrechterhalten werden. Die Steuereinrichtung steuert das Anhalten des Elektromotors oder die Reduzierung der Drehzahl des Elektromotors.
• Bei einer Maschine, die einen Elektromotor aufweist, ist es vorteilhaft, eine Simulation auszuführen, bei der die Maschine in einem gewünschten Betriebsmuster betrieben wird, und dadurch abzuschätzen, ob das Betriebsmuster zulässig ist. Durch das Abschätzen der Temperaturänderung des Elektromotors gemäß dem Betriebsmuster kann der Betriebszustand des Elektromotors bestimmt werden. Wenn die Temperatur des Elektromotors zu hoch wird, kann der Bediener alternativ das Betriebsmuster der Maschine ändern. Das heißt, der Bediener kann das Betriebsmuster der Maschine so erstellen, dass eine Überhitzung des Elektromotors verhindert wird. Wie oben beschrieben, kann der Bediener bevorzugt bestimmen, ob der Elektromotor normal betrieben werden kann, ohne die Maschine tatsächlich zu betreiben.
• [Technische Lösung]
• Eine Parametereinstellvorrichtung nach einem Aspekt der vorliegende Offenbarung stellt Parameter ein, die in einem Modell für einen Elektromotor enthalten sind, wobei das Modell für einen Elektromotor dazu konfiguriert ist, eine Temperatur eines Temperaturfühlers abzuschätzen, der eine Temperatur einer den Elektromotor bildenden Komponente erfasst. Die Parametereinstellvorrichtung weist eine Zustandserfassungseinheit auf, die dazu ausgebildet ist, einen Betriebsbefehl für den Elektromotor, der durch den tatsächlichen Betrieb des Elektromotors erzeugt wird, und eine von dem Temperaturfühler ausgegebene Temperatur zu erfassen. Die Parametereinstellvorrichtung weist eine Parameterberechnungseinheit auf, die dazu ausgebildet ist, die Parameter in einer Weise zu berechnen, dass eine Änderung in einer Temperatur eines Modells für den Temperaturfühler, die durch das Modell für den Elektromotor berechnet wird, einer tatsächlichen Änderung in einer Temperatur des Temperaturfühlers entspricht. Das Modell für den Elektromotor beinhaltet ein Modell für einen Rotor, ein Modell für einen Statorkern, ein Modell für eine Spule und das Modell für den Temperaturfühler als Modelle für Komponenten des Elektromotors. Die Parameter beinhalten eine Wärmekapazität, die für jedes Modell für die Komponenten eingestellt wird, und einen wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten, der zwischen jeweils zwei der Modelle für die Komponenten eingestellt wird. Die Parameterberechnungseinheit weist eine Verlustberechnungseinheit auf, die dazu ausgebildet ist, eine erzeugte Wärmemenge aufgrund eines primären Kupferverlusts der Spule und eine erzeugte Wärmemenge aufgrund eines Eisenverlusts des Statorkerns auf der Grundlage des Betriebsbefehls zu berechnen. Die Parameterberechnungseinheit weist eine Temperaturberechnungseinheit auf, die dazu ausgebildet ist, die Temperatur des Modells für den Temperaturfühler unter Verwendung des Modells für den Elektromotor auf der Grundlage der erzeugten Wärmemenge der Spule und der erzeugten Wärmemenge des Statorkerns zu berechnen. Die Parameterberechnungseinheit weist eine Auswerteeinheit auf, die dazu ausgebildet ist, die Temperatur des Modells für den Temperaturfühler auszuwerten, indem sie die Temperatur des Modells für den Temperaturfühler mit der Temperatur des Temperaturfühlers vergleicht, die von der Zustandserfassungseinheit erfasst wird. Die Parameterberechnungseinheit weist eine Parameteränderungseinheit auf, die dazu ausgebildet ist, Werte der Parameter auf der Grundlage eines Ergebnisses der Auswertung durch die Auswerteeinheit zu ändern. Die Auswerteeinheit wertet die Temperatur des Modells für den Temperaturfühler aus, ohne andere Variablen als die Temperatur des Modells für den Temperaturfühler auszuwerten.
• Vorteilhafte Wirkung der Erfindung
• Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann eine Parametereinstellvorrichtung zum Einstellen eines Parameters eines Modells für einen Elektromotor bereitgestellt werden, die dazu ausgebildet ist, eine Temperatur eines Bauteils eines Elektromotors zu schätzen.
• Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• 1 ist ein Blockschaltbild einer Maschine und einer Temperaturschätzvorrichtung gemäß einer Ausführungsform.
• 2 ist eine Querschnittsansicht eines ersten Elektromotors gemäß einer Ausführungsform.
• 3 ist eine Modell für den ersten Elektromotor gemäß einer Ausführungsform.
• 4 ist ein Diagramm, das ein erstes Betriebsmusters eines Elektromotors darstellt, wenn Parameter in dem Modell für den Elektromotor eingestellt werden.
• 5 ist ein Diagramm, das ein zweites Betriebsmusters eines Elektromotors darstellt, wenn Parameter in dem Modell für den Elektromotor eingestellt werden.
• 6 ist ein Modell für einen zweiten Elektromotor gemäß einer Ausführungsform.
• 7 ist ein erstes Diagramm, das einen Strom darstellt, der durch den zweiten Elektromotor fließt.
• 8 ist ein zweites Diagramm, das einen Strom darstellt, der durch den zweiten Elektromotor fließt.
• 9 ist ein Diagramm von Simulationsergebnissen unter Verwendung von Parametern, die in einer Parametereinstelleinheit eingestellt werden.
• 10 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Temperatur eines Rotors und einem Koeffizienten zur Korrektur des Eisenverlustes darstellt.
• 11 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Temperatur einer Spule und dem Primärwiderstand darstellt.
• 12 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem Temperaturunterschied zwischen Komponenten und einer Konstante zur Korrektur eines wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten darstellt.
• 13 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Temperatur und einer Konstante zur Korrektur der Wärmekapazität einer Komponente darstellt.
• Beschreibung der Ausführungsformen
• Eine Parametereinstellvorrichtung zum Einstellen eines Parameters eines Modells für einen Elektromotor, das für eine Temperaturschätzvorrichtung gemäß einer Ausführungsform verwendet wird, wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 13 beschrieben. Wenn ein Elektromotor in Betrieb ist, so steigen die Temperaturen der Komponenten, aus denen der Elektromotor besteht, an. Eine Temperaturschätzvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform schätzt die Temperatur, die von einem Temperaturfühler ausgegeben wird, der an einer in dem Elektromotor enthaltenen Komponente angebracht ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird ein Beispiel für das Schätzen der Temperatur beschrieben, die von einem Temperaturfühler ausgegeben wird, der die Temperatur einer Statorspule erfasst, die eine der Komponenten des Elektromotors ist. In diesem Fall ist der Temperaturfühler an einer Spule angebracht, die am Statorkern befestigt ist.
• Die Temperaturschätzvorrichtung verwendet das Modell für den Elektromotor und schätzt die Temperatur des Temperaturfühlers. Das Modell für den Elektromotor gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist ein thermisches Modell, das die Wärmeübertragung zwischen den Komponenten ausdrückt. Eine Parametereinstellvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform stellt Parameter, wie zum Beispiel Wärmekapazitäten der Komponenten und wärmeübertragungsbezogene Koeffizienten zwischen den Komponenten, in dem Modell für den Elektromotor ein. Als wärmeübertragungsbezogener Koeffizient kann ein Wärmeübertragungskoeffizient oder ein Koeffizient, der durch eine Multiplikation des Wärmeübertragungskoeffizienten mit der Kontaktfläche zwischen den Komponenten erhalten wird, oder dergleichen, verwendet werden.
• 1 ist ein Blockschaltbild von: einer Maschine gemäß der vorliegenden Ausführungsform; und einer Temperaturschätzvorrichtung zum Schätzen der von einem Temperaturfühler eines Elektromotors ausgegebenen Temperatur. Eine Maschine 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist mit einem Elektromotor 10 zum Antreiben der Komponenten der Maschine 1 und einer Steuereinrichtung 41 zum Steuern des Elektromotors 10 versehen. Die Steuereinrichtung 41 gemäß der vorliegenden Ausführungsform besteht aus einer arithmetischen Verarbeitungsvorrichtung (Computer). Die Steuereinrichtung 41 weist eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) als Prozessor auf. Die Steuereinrichtung 41 weist einen Arbeitsspeicher (RAM), einen Festwertspeicher (ROM), oder dergleichen, auf, die über einen Bus mit der CPU verbunden sind.
• Die Maschine 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist eine numerisch gesteuerte Maschine. Die Maschine 1 wird auf der Grundlage von Command-Anweisungen gesteuert, die in einem Betriebsprogramm 45 beschrieben sind. Das Betriebsprogramm 45 wird im Voraus von einem Bediener erstellt. Die Steuereinrichtung 41 weist einen Speicherteil 42, der das Betriebsprogramm 45 speichert, und eine Betriebssteuereinheit 43 auf, die auf der Grundlage des Betriebsprogramms 45 Betriebsbefehle für den Elektromotor 10 erzeugt. Die Maschine 1 weist eine Antriebsvorrichtung 44 mit einer elektrischen Schaltung auf, die den Elektromotor 10 auf der Grundlage der in der Betriebssteuereinheit 43 erzeugten Betriebsbefehle mit Strom versorgt. Der Elektromotor 10 wird durch die Antriebsvorrichtung 44 angetrieben, die Strom liefert.
• Der Speicherteil 42 kann aus nicht-transitorischen Speichermedien bestehen, die Informationen speichern können, wie zum Beispiel einem flüchtigen Speicher, einem nicht-flüchtigen Speicher oder einer Festplatte. Die Betriebssteuereinheit 43 entspricht einem Prozessor, der gemäß dem Betriebsprogramm 45 gesteuert wird. Der Prozessor liest das Betriebsprogramm 45 und fungiert als die Betriebssteuereinheit 43, indem er die im Betriebsprogramm 45 angegebenen Steuerungen ausführt.
• Eine solche Maschine 1 kann eine beliebige Maschine mit dem Elektromotor 10 sein. Für die Maschine 1 kann eine Werkzeugmaschine zur Bearbeitung eines Werkstücks als Beispiel dienen. Für den Elektromotor 10 kann ein Spindelachsenmotor zum Drehen eines Werkzeugs oder eines Werkstücks, oder ein Vorschubachsenmotor zum Bewegen eines Tisches oder eines Spindelkopfs entlang einer vorgegebenen Koordinatenachse als Beispiel dienen.
• 2 ist eine Querschnittsansicht eines ersten Elektromotors gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Unter Bezugnahme auf 1 und 2 ist ein erster Elektromotor 10 ein Synchronmotor, bei dem ein Rotor 11 einen Magneten 18 enthält. Der Elektromotor 10 weist den Rotor 11 und einen Stator 12 auf. Der Stator 12 weist einen aus einem magnetischen Material bestehenden Statorkern 20 und eine Spule 16 auf, die an dem Statorkern 20 befestigt ist. Der Statorkern 20 besteht beispielsweise aus einer Vielzahl von magnetischen Stahlplatten, die in axialer Richtung gestapelt sind. Die Spule 16 weist beispielsweise eine um den Statorkern 20 gewickelte Wicklung und ein Harzteil zum Fixieren der Wicklung auf.
• Der Rotor 11 ist an einer stabförmigen Welle 13 befestigt. Der Rotor 11 weist einen Rotorkern 17, der an der äußeren Umfangsfläche der Welle 13 befestigt ist und aus einem magnetischen Material besteht, sowie eine Mehrzahl von Magneten 18 auf, die an dem Rotorkern 17 befestigt sind. Der Magnet 18 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist ein Permanentmagnet.
• Die Welle 13 ist mit einem anderen Bauteil verbunden, um eine Drehkraft zu übertragen. Die Welle 13 dreht sich um eine Drehachse RA. Die axiale Richtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform gibt die Richtung an, in der sich die Drehachse RA der Welle 13 erstreckt. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird bei dem Elektromotor 10 die Seite, auf der die Welle 13 mit einem anderen Bauteil verbunden ist, als Vorderseite bezeichnet. Die Seite, die der Vorderseite gegenüberliegt, wird als Rückseite bezeichnet. Bei dem in 2 dargestellten Beispiel zeigt ein Pfeil 81 die Vorderseite des Elektromotors 10 an.
• Der Elektromotor 10 weist ein vorderseitiges Gehäuse 21 und ein rückseitiges Gehäuse 22 als Gehäuse auf. Der Rotor 11 ist im Inneren des Gehäuses angeordnet. Der Statorkern 20 des Stators 12 wird von den Gehäusen 21, 22 gehalten. Das Gehäuse 21 trägt ein Lager 14. Ein Lagerträgerelement 26, das ein Lager 15 trägt, ist an dem Gehäuse 22 befestigt. Die Gehäuse 21, 22 lagern, über die Lager 14, 15, die Welle 13 so, dass sie drehbar ist. Eine rückseitige Abdeckung 23 ist am rückseitigen Endbereich des Gehäuses 22 befestigt, um den Raum innerhalb des Gehäuses 22 zu schließen. So können die Komponenten des Elektromotors 10, als ein Beispiel, den Rotor 11, den Rotorkern 17, den Magneten 18, den Stator 12, den Statorkern 20, die Spule 16, die Gehäuse 21, 22, die Welle 13, die rückseitige Abdeckung 23, das Lagerträgerelement 26, die Lager 14, 15, einen Temperaturfühler 31 und einen Drehstellungsdetektor 32 aufweisen. Die Komponenten des Elektromotors 10 sind nicht auf diese Konfiguration beschränkt, sondern jedes Teil, aus dem der Elektromotor 10 besteht, kann verwendet werden. Zum Beispiel kann ein zum Abdecken des Stators dienendes Gehäuse verwendet werden.
• Der Drehstellungsdetektor 32 ist am rückseitigen Endbereich der Welle 13 angeordnet, um die Drehstellung oder die Drehzahl der Welle 13 zu erfassen. Der Drehstellungsdetektor 32 gemäß der vorliegenden Ausführungsform besteht aus einem Encoder. Der Temperaturfühler 31, der die Temperatur der Spule 16 erfasst, ist an der Spule 16 des Stators 12 befestigt. Der Temperaturfühler 31 gemäß der vorliegenden Ausführungsform besteht aus einem Thermistor. Die Ausgangssignale des Temperaturfühlers 31 und des Drehstellungsdetektors 32 werden in die Steuereinrichtung 41 eingegeben.
• Die Steuereinrichtung 41 kann bestimmen, dass der Elektromotor 10 überhitzt ist, wenn die vom Temperaturfühler 31 erfasste Temperatur höher ist als ein vorgegebener Temperaturbewertungswert. In diesem Fall kann die Steuereinrichtung 41 den dem Elektromotor 10 zugeführten Stromwert verringern oder den Elektromotor 10 anhalten. Außerdem kann die Steuereinrichtung 41 eine Rückkopplungssteuerung auf der Grundlage des Ausgangssignals des Drehstellungsdetektors 32 ausführen. Zum Beispiel kann eine Positionsrückkopplungssteuerung zum Steuern der Drehstellung der Welle 13 des Elektromotors 10 oder eine Geschwindigkeitsrückkopplungssteuerung zum Steuern der Drehzahl der Welle 13 ausgeführt werden.
• Eine Temperaturschätzvorrichtung 2 gemäß der vorliegende Ausführungsform schätzt die Temperatur, die von dem in der Spule 16 des Stators 12 angeordneten Temperaturfühler 31 ausgegeben wird. Insbesondere schätzt die Temperaturschätzvorrichtung 2 gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Temperatur des Temperaturfühlers 31. Außerdem schätzt die Temperaturschätzvorrichtung 2 die Änderung in der Temperatur des Temperaturfühlers 31 über die Zeit.
• Die Temperaturschätzvorrichtung 2 besteht aus einer arithmetischen Verarbeitungsvorrichtung (Computer) mit einer CPU als Prozessor. Die Temperaturschätzvorrichtung 2 weist einen Speicherteil 51 auf, der Informationen über die Temperaturschätzung des Elektromotors 10 speichert. Der Speicherteil 51 kann aus nicht-transitorischen Speichermedien bestehen, die Informationen speichern können, wie zum Beispiel einem flüchtigen Speicher, einem nicht-flüchtigen Speicher oder einer Festplatte. Die Temperaturschätzvorrichtung 2 weist einen Anzeigeteil 52 auf, der Informationen über die Temperatur des Elektromotors 10 anzeigt. Der Anzeigeteil 52 kann aus einem beliebigen Anzeigefeld bestehen, wie zum Beispiel einem Flüssigkristallanzeigefeld.
• Die Temperaturschätzvorrichtung 2 weist eine Schätzeinrichtung 53 auf, die die Temperatur des Temperaturfühlers 31 schätzt. Die Schätzeinrichtung 53 schätzt die Temperatur des Temperaturfühlers 31, indem sie eine Berechnung gemäß dem Modell für den Elektromotor (thermisches Modell) ausführt. Die Schätzeinrichtung 53 weist eine Verlustberechnungseinheit 54 auf, die die erzeugte Wärmemenge aufgrund des primären Kupferverlusts der Spule 16 und die erzeugte Wärmemenge aufgrund des Eisenverlusts des Statorkerns 20 auf der Grundlage eines Betriebsbefehls für den Elektromotor 10 berechnet. Die Schätzeinrichtung 53 weist eine Temperaturberechnungseinheit 55 auf, die die Temperatur des Temperaturfühlers 31 unter Verwendung des Modells für den Elektromotor berechnet. Die Temperaturberechnungseinheit 55 berechnet die Temperatur des Temperaturfühlers 31 auf der Grundlage der erzeugten Wärmemenge aufgrund des primären Kupferverlusts und des Eisenverlusts, der Wärmekapazität der jeweiligen Modelle für die Komponenten und der wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten zwischen den Modellen für die Komponenten.
• Die Temperaturschätzvorrichtung 2 gemäß der vorliegenden Ausführungsform hat die Funktion einer Parametereinstellvorrichtung zum Einstellen von Parametern, die in dem Modell für den Elektromotor enthalten sind. Eine Parametereinstelleinheit 61 der Temperaturschätzvorrichtung 2 fungiert als eine Parametereinstellvorrichtung. Die Parametereinstelleinheit 61 stellt Parameter ein, die Wärmekapazitäten in den Komponenten und wärmeübertragungsbezogene Koeffizienten zwischen den Komponenten des Elektromotors 10 beinhalten.
• Die Parametereinstelleinheit 61 weist eine Zustandserfassungseinheit 62 auf, die den Zustand des Elektromotors 10 beim tatsächlichen Betrieb des Elektromotors 10 erfasst. Die Zustandserfassungseinheit 62 erfasst den Betriebsbefehl des Elektromotors 10, der durch den tatsächlichen Betrieb des Elektromotors 10 erzeugt wird, die von dem Drehstellungsdetektor 32 ausgegebene Drehzahl und die von dem Temperaturfühler 31 ausgegebene Temperatur. Der Betriebsbefehl für den Elektromotor 10 wird in der Betriebssteuereinheit 43 erzeugt und kann somit von der Betriebssteuereinheit 43 erhalten werden. Außerdem kann die Zustandserfassungseinheit 62 die Außenlufttemperatur von einem Außenlufttemperaturfühler 33 erhalten, der die Temperatur der Umgebung erfasst, in der die Maschine 1 angeordnet ist.
• Die Parametereinstelleinheit 61 weist eine Parameterberechnungseinheit 63 auf, die die in dem Modell für den Elektromotor enthaltenen Parameter berechnet. Die Parameterberechnungseinheit 63 berechnet die erzeugte Wärmemenge der Spule 16 und des Statorkerns 20 auf der Grundlage des von der Betriebssteuereinheit 43 erzeugten Betriebsbefehls und der von dem Drehstellungsdetektor 32 erfassten Drehzahl. Außerdem schätzt die Parameterberechnungseinheit 63 die Temperatur eines Modells 31a für einen Temperaturfühler auf der Grundlage der erzeugten Wärmemenge der Spule 16 und des Statorkerns 20. Die Parameterberechnungseinheit 63 berechnet die Parameter des Modells für den Elektromotor auf der Grundlage der Temperatur des Modells 31a für den Temperaturfühler und der von dem Temperaturfühler 31 ausgegebenen Temperatur.
• Die Parameterberechnungseinheit 63 gemäß der vorliegenden Ausführungsform berechnet Parameter auf eine solche Weise, dass die Änderung in der Temperatur des Modells für den Temperaturfühler, die durch das Modell für den Elektromotor berechnet wird, der Änderung in der tatsächlichen Temperatur entspricht. Die Parameterberechnungseinheit 63 kann die Parameter des Modells für den Elektromotor durch maschinelles Lernen einstellen. Die Parameterberechnungseinheit 63 schätzt die Temperatur des Temperaturfühlers mithilfe des Modells für den Elektromotor unter Verwendung der Schätzeinrichtung 53. Die Parameterberechnungseinheit 63 weist eine Auswerteeinheit 66 auf, die die Temperatur des Modells 31a für den Temperaturfühler auswertet, indem sie die Temperatur des Modells 31a für den Temperaturfühler mit der von der Zustandserfassungseinheit 62 erfassten Temperatur des Temperaturfühlers 31 vergleicht. Die Parameterberechnungseinheit 63 weist eine Parameteränderungseinheit 67 auf, die die Werte der Parameter auf der Grundlage der Auswertungsergebnisse der Auswerteeinheit 66 ändert.
• Die Schätzeinrichtung 53, die Verlustberechnungseinheit 54 und die Temperaturberechnungseinheit 55, wie oben genannt, entsprechen jeweils einem gemäß einem Programm gesteuerten Prozessor. Die Parametereinstelleinheit 61, die Zustandserfassungseinheit 62 und die Parameterberechnungseinheit 63 entsprechen jeweils einem gemäß einem Programm gesteuerten Prozessor. Außerdem entsprechen die in der Parameterberechnungseinheit 63 enthaltene Auswerteeinheit 66 und Parameteränderungseinheit 67 jeweils einem gemäß einem Programm gesteuerten Prozessor. Jeder Prozessor führt die vom Programm vorgeschriebene Steuerung durch und fungiert hiermit als Einheit.
• 3 stellt ein Modell für einen Elektromotor dar, das die Wärmeübertragung des ersten Elektromotors gemäß der vorliegenden Ausführungsform abbildet. Ein Modell 10a für den Elektromotor enthält die Modelle für die Hauptkomponenten, die einen ersten Elektromotor 10 bilden. Das Modell 10a für den Elektromotor enthält ein Modell 11a für den Rotor, ein Modell 20a für den Statorkern und ein Modell 16a für die um den Statorkern gewickelte Spule. Das Modell 10a für den Elektromotor enthält auch das Modell 31a für den Temperaturfühler, um die Temperatur der Spule 16 zu erfassen.
• Außerdem befindet sich, bezugnehmend auf 2, eine Luftschicht zwischen dem Rotor 11 und dem Statorkern 20. Ferner befindet sich eine Luftschicht zwischen dem Rotor 11 und der Spule 16. Das Modell 10a für den Elektromotor gemäß der vorliegenden Ausführungsform enthält ein Modell 35a für die Luftschicht. Das Modell 10a für den Elektromotor enthält auch ein Modell 36a für die Außenluft als Modell für die Luft rund um den Elektromotor 10. Somit werden in dem Modell für den Elektromotor gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Modelle für die Luftschicht und für die Außenluft als die Modelle der Komponenten des Elektromotors erstellt.
• Die von dem Temperaturfühler 31 erfasste Temperatur ist nahezu gleich der Temperatur der Spule 16. Der Erfinder hat jedoch festgestellt, dass unter bestimmten Umständen die von dem Temperaturfühler 31 erfasste Temperatur aufgrund einer geringen Wärmekapazität des Temperaturfühlers 31 von der Temperatur der Spule 16 abweichen kann. Genauer gesagt, ist die vom Temperaturfühler 31 erfasste Temperatur die Temperatur des Körpers des Temperaturfühlers 31. Aus diesem Grund wird bei der vorliegenden Ausführungsform für den Temperaturfühler 31 auch das Modell 31a für den Temperaturfühler als eines der Komponentenmodelle erstellt. Zu beachten ist, dass, ohne Berücksichtigung der Wärmekapazität des Temperaturfühlers 31, bei der Berechnung davon ausgegangen werden kann, dass die Temperatur des Modells 31a für den Temperaturfühler die gleiche ist wie die Temperatur des Modells für die Komponente, an der der Temperaturfühler 31 angebracht ist. Im vorliegenden Beispiel kann die Temperatur des Modells 31a für den Temperaturfühler als identisch mit der Temperatur des Modells 16a für die Spule angesetzt werden.
• Bei dem Modell 10a für den Elektromotor werden eine Vielzahl von Parametern, darunter die Wärmekapazität und der wärmeübertragungsbezogene Koeffizient, eingestellt. Bei jedem Modell für die Komponente wird die Wärmekapazität eingestellt. Bei dem Modell 16a für die Spule, dem Modell 20a für den Statorkern, dem Modell 35a für die Luftschicht, dem Modell 11a für den Rotor und dem Modell 31a für den Temperaturfühler werden jeweils die Temperaturen T₁, T₂, T₃, T₄, T₅ als Variablen und die Wärmekapazitäten C₁, C₂, C₃, C₄, C₅ als Konstanten eingestellt. Außerdem wird bei dem Modell 36a für die Außenluft eine Temperatur T_r als Variable eingestellt.
• Die Wärme von einer Komponente des Elektromotors 10 wird auf die anderen Komponenten übertragen. Bei dem Modell 10a für den Elektromotor wird die Wärmeübertragung zwischen den Komponenten berechnet. Wärmeübertragungsbezogene Koeffizienten werden zwischen den Modellen für jeweiligen Komponenten des Elektromotors 10 eingestellt. Im vorliegenden Beispiel wird ein Koeffizient durch Multiplikation des Wärmeübertragungskoeffizienten mit einer Kontaktfläche definiert.
• Ein wärmeübertragungsbezogener Koeffizient ha wird zwischen dem Modell 20a für den Statorkern und dem Modell 16a für die Spule eingestellt. Ein wärmeübertragungsbezogener Koeffizient hc1 wird zwischen dem Modell 35a für die Luftschicht und dem Modell 16a für die Spule eingestellt. Ein wärmeübertragungsbezogener Koeffizient hc2 wird zwischen dem Modell 35a für die Luftschicht und dem Modell 20a für den Statorkern eingestellt. Ein wärmeübertragungsbezogener Koeffizient hc3 wird zwischen dem Modell 35a für die Luftschicht und dem Modell 11a für den Rotor eingestellt. Ein wärmeübertragungsbezogener Koeffizient hd wird zwischen dem Modell 16a für die Spule und dem Modell 31a für den Temperaturfühler eingestellt. Ferner wird, um die Wärmeabgabe vom Statorkern 20 an die Außenluft zu simulieren, ein wärmeübertragungsbezogener Koeffizient hb zwischen dem Modell 20a für den Statorkern und dem Modell 36a für die Außenluft eingestellt.
• Bei dem Modell 10a für den Elektromotor gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird ein primärer, in der Spule 16 des Stators 12 erzeugter Kupferverlust P_c1 als von der Komponente erzeugte Wärme betrachtet. Die durch den primären Kupferverlust erzeugte Wärmemenge wird in das Modell 16a für die Spule eingegeben. Außerdem wird ein Eisenverlust P_i des Statorkerns 20 berücksichtigt, der durch die Magnetkraft des Magneten 18 im Rotor 11 erzeugt wird. Die durch den Eisenverlust erzeugte Wärmemenge wird in das Modell 20a für den Statorkern eingegeben.
• Die Wärme bewegt sich zwischen den jeweiligen Komponenten, wie zum Beispiel der Spule und dem Statorkern, abhängig von der Größe des wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten. Auch hat jede Komponente einen Temperaturanstieg und -abfall, der auf der Differenz zwischen der eingehenden Wärmemenge und der ausgehenden Wärmemenge beruht. Die Temperaturänderungsrate jeder Komponente des Modells 10a für den in 3 dargestellten Elektromotor kann durch die unten stehenden Gleichungen (1) bis (5) ausgedrückt werden. Bei jeder Komponente kann die Temperaturänderungsrate berechnet werden, indem die Differenz zwischen der Wärmeeingangsmenge und der Wärmeausgangsmenge durch die Wärmekapazität dividiert wird.
  Math. 1 $$\frac{{\text{dT}}_1}{\text{dt}}=\frac{{\text{P}}_{\text{c}1}+\text{ha}\left({\text{T}}_2-{\text{T}}_1\right)+\text{hc}1\left({\text{T}}_3-{\text{T}}_1\right)}{{\text{C}}_1}$$

  

  $$\frac{{\text{dT}}_2}{\text{dt}}=\frac{{\text{P}}_{\text{i}}+\text{ha}\left({\text{T}}_2-{\text{T}}_1\right)+\text{hb}\left({\text{T}}_1-{\text{T}}_2\right)+\text{hc}2\left({\text{T}}_3-{\text{T}}_2\right)}{{\text{C}}_2}$$

  

  $$\frac{{\text{dT}}_3}{\text{dt}}=\frac{\text{hc1}\left({\text{T}}_1-{\text{T}}_3\right)+\text{hc2}\left({\text{T}}_2-{\text{T}}_3\right)+\text{hc}3\left({\text{T}}_4-{\text{T}}_3\right)}{{\text{C}}_3}$$

  

  $$\frac{{\text{dT}}_4}{\text{dt}}=\frac{\text{hc}3\left({\text{T}}_3-{\text{T}}_4\right)}{{\text{C}}_4}$$

  

  $$\frac{{\text{dT}}_5}{\text{dt}}=\frac{\text{hd}\left({\text{T}}_1-{\text{T}}_5\right)}{{\text{C}}_5}$$

  

T1

Temperatur der Spule,

T2

Temperatur des Statorkerns,

T3

Temperatur der Luftschicht,

T4

Temperatur des Rotors,

C1

Wärmekapazität der Spule

C2

Wärmekapazität des Statorkerns

C3

Wärmekapazität der Luftschicht

C4

Wärmekapazität des Rotors

T5

Temperatur des Temperaturfühlers ,

C5

Wärmekapazität des Temperaturfühlers

ha, hb, hc1, hc2, hc3, hd

wärmeübertragungsbezogener Koeffizient

Pc1

primärer Kupferverlust

Pi

Eisenverlust

• Die Wärmekapazitäten C₁, C₂, C₃, C₄, C₅ der jeweiligen Komponenten sind konstant und können vorgegeben werden. Jeder der wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten ha, hb, h_C1, hc2, hc3 und hd ist der Koeffizient, der durch Multiplikation des Wärmeübertragungskoeffizienten mit der Kontaktfläche erhalten wird. Die Koeffizienten ha, hb, h_C1, hc2, hc3 und hd sind konstant und können vorgegeben werden. Die Verlustberechnungseinheit 54 der Schätzeinrichtung 53 berechnet den primären Kupferverlust P_c1 in der Spule 16 und den Eisenverlust P_i im Statorkern wie unten beschrieben. Die Temperaturberechnungseinheit 55 der Schätzeinrichtung 53 kann den Temperaturänderungsbetrag für eine sehr kurze Zeitdauer dt auf der Grundlage der obigen Gleichungen (1) bis (5) berechnen.
• Als Nächstes wird das Berechnungsverfahren des primären Kupferverlusts P_c1 und des Eisenverlusts P_i, die in den Gleichungen (1) und (2) enthalten sind, beschrieben. Die Drehzahl des Elektromotors 10 und der Lastfaktor des Elektromotors 10 (Prozentsatz der maximalen Last) können vom Bediener entsprechend der von der Maschine ausgeführten Arbeit voreingestellt werden. Die Verlustberechnungseinheit 54 der Schätzeinrichtung 53 berechnet den primären Kupferverlust P_c1 und den Eisenverlust P_i. Tabelle 1 zeigt ein Verlustübersicht für die Verlustberechnung.
  Tabelle 1 Tabelle 1 Verlustübersicht

  Drehzahl N [U/min]	Verlust Pm bei maximaler Leistung [kW]	Verlust Pn bei Nulllast [kW]	Strom im bei maximaler Leistung [A]
  0	3,12	0,001	166,8
  1000	4,01	0,0239	166,8
  2000	2,57	0,064	166,4
  3000	2,7	0,065	165,7
  4000	2,73	0,086	165,3
  5000	2,72	0,179	165,4
  6000	4,49	0,2	165,4
  7000	4,03	0,227	158
  8000	3,066	0,27	150,3
  9000	4,38	0,256	145,8
  10000	3,55	0,282	142
  11000	5,68	0,291	137
  12000	3,5	0,348	135

• Tabelle 1 zeigt den Verlust bei maximaler Leistung für die Drehzahl (die Anzahl der Umdrehungen) des Elektromotors 10, den Verlust bei Nulllast, und den Strom bei maximaler Leistung. Ein Verlust P_m bei maximaler Leistung ist der Verlust, wenn der Lastfaktor des Elektromotors 100% beträgt, was durch die Drehzahl des Elektromotors bestimmt wird. Ein Verlust P_n bei Nulllast ist der Verlust, wenn der Lastfaktor des Elektromotors Null ist, was von der Drehzahl des Elektromotors abhängt. Ein Strom I_m bei maximaler Leistung ist der Stromwert, wenn der Lastfaktor bei jeder Drehzahl 100% beträgt. Die in der Tabelle 1 dargestellte Verlustübersicht kann durch den tatsächlichen Betrieb eines Elektromotors erstellt werden. Diese Verlustübersicht kann zum Beispiel im Speicherteil 51 der Temperaturschätzvorrichtung 2 gespeichert werden.
• Die Verlustberechnungseinheit 54 berechnet einen Gesamtverlust P_t, der den primären Kupferverlust P_c1 und den Eisenverlust P_i enthält. Der Gesamtverlust P_t kann mit den unten stehenden Gleichungen (6) und (7) berechnet werden.
  Math. 2 $${\text{P}}_{\text{t}}=\text{k}2\cdot {\text{LF}}^2+\text{k}1\cdot \text{LF}+{\text{P}}_{\text{n}}$$

  

  $$\text{k}1={\text{P}}_{\text{m}}-{\text{P}}_{\text{v}}-\text{k}2$$

  

Pt

Gesamtverlust

Pm

Verlust bei maximaler Leistung

Pn

Verlust bei Nulllast

LF

Lastfaktor des Elektromotors

k1, k2

Konstante

• Der Gesamtverlust P_t kann durch den Verlust P_m bei maximaler Leistung, den Verlust P_n bei Nulllast, und einen Lastfaktor LF des Elektromotors berechnet werden. Da die Drehzahl und der Lastfaktor des Elektromotors angegeben sind, kann der Verlust P_m bei maximaler Leistung und der Verlust P_n bei Nulllast aus der Tabelle 1 ermittelt werden. Die Konstanten k1, k2 können vom Bediener im Voraus festgelegt werden. Der primäre Kupferverlust P_c1 kann dann mit den unten stehenden Gleichungen (8) und (9) berechnet werden.
  Math. 3 $$\text{Pc}1=\text{r}1\cdot {\text{I}}^2$$

  

  $$\text{I}={\text{I}}_{\text{n}}\cdot \text{LF}$$

  

PC1

primärer Kupferverlust

I

Strom

r1

Primärwiderstand

Im

Strom bei maximaler Leistung

• Der primäre Kupferverlust P_c1 entspricht dem Strom Joule Wärme, der durch die Spule 16 fließt. Außerdem kann ein Strom I, der durch die Spule 16 fließt, berechnet werden, indem der Strom I_m bei maximaler Leistung mit dem Lastfaktor LF des Elektromotors multipliziert wird. Der Strom I_m bei maximaler Leistung kann der Tabelle 1 entnommen werden. Hier wird vorab ein Primärwiderstand r1 der Spule 16 gemessen. Dann kann der Eisenverlust P_i mit der unten stehenden Gleichung (10) berechnet werden. Der Eisenverlust P_i kann durch Subtraktion des primären Kupferverlusts P_c1 vom Gesamtverlust P_t berechnet werden.
  Math. 4 $${\text{P}}_1={\text{P}}_{\text{t}}-{\text{P}}_{\text{c}1}$$

  

Pi

Eisenverlust

• Der Bediener gibt das Betriebsmuster des Elektromotors ein, einschließlich der Drehzahl und des Lastfaktors zum Antreiben der Maschine 1. Die Temperaturberechnungseinheit 55 der Schätzeinrichtung 53 kann die Temperaturen T₁ bis T₅ jeweiliger Komponenten zunächst auf beliebige Temperaturen einstellen. Beispielsweise stellt die Temperaturberechnungseinheit 55 die Temperaturen T₁ bis T₅ der Komponenten auf die normale Außenlufttemperatur T_r ein. Die Temperatur T_r der Außenluft kann je nach Aufstellungsort der Maschine 1 vorgegeben werden.
• Die Verlustberechnungseinheit 54 der Schätzeinrichtung 53 berechnet den primären Kupferverlust und den Eisenverlust auf der Grundlage der Drehzahl und des Lastfaktors des Elektromotors im Betriebsmuster. Als Nächstes kann die Temperaturberechnungseinheit 55 den Änderungsbetrag einer Temperatur T₅ des Temperaturfühlers 31 für die sehr kurze Zeitdauer dt durch Lösen der obigen Gleichungen (1) bis (5) berechnen. Auf diese Weise kann der Bediener das Betriebsmuster des Elektromotors bestimmen und die Änderung in der Temperatur des Temperaturfühlers über die Zeit abschätzen, wenn der Elektromotor in dem Betriebsmuster betrieben wird. Der Bediener kann das Betriebsmuster des Elektromotors einschließlich der Drehzahl und des Lastfaktors des Elektromotors gemäß der Änderung in der Temperatur des Temperaturfühlers 31 einstellen. Das heißt, der Bediener kann das Betriebsmuster der Maschine, die den Elektromotor enthält, einstellen.
• Bei dem Modell 10a für den Elektromotor gemäß der vorliegenden Ausführungsform reicht es aus, dass die Temperatur einer der Vielzahl von Komponenten in dem Elektromotor genau geschätzt werden kann. Die Temperaturen der anderen Komponenten als der einen Komponente können von den tatsächlichen Temperaturen dieser Komponenten abweichen. Das heißt, die Temperaturen der anderen Komponenten als der einen Komponente können von den tatsächlichen Temperaturen dieser Komponenten abweichen und den tatsächlichen Temperaturen nicht entsprechen. Beim vorliegenden Beispiel reicht es aus, dass die Temperatur T₅ des Modells 31a für den Temperaturfühler genau geschätzt werden kann, und die Temperatur T₁ des Modells 16a für die Spule, eine Temperatur T₂ des Modells 20a für den Statorkern, eine Temperatur T₃ des Modells 35a für die Luftschicht und eine Temperatur T₄ des Modells 11a für den Rotor können weit von der tatsächlichen Temperatur dieser Komponenten entfernt sein.
• Darüber hinaus haben die in dem Modell 10a für den Elektromotor eingestellten Wärmekapazitäten C₁ bis C₅ und die zwischen den Komponenten eingestellten wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten ha, hb, hc1 bis hc3 und hd spezielle Werte, die von dem Material, der Form und der Anordnung, oder dergleichen, jeder Komponente abhängen. Bei dem Modell 10a für den Elektromotor gemäß der vorliegenden Ausführungsform sind jedoch zumindest einige der Parameter der Vielzahl von Wärmekapazitäten und der Vielzahl von wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten auf Werte eingestellt, die von den tatsächlichen Wärmekapazitäten oder den tatsächlichen wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten abweichen. Mit anderen Worten, sind zumindest einige der Parameter auf Werte eingestellt, die sich von den tatsächlichen Wärmekapazitäten oder den tatsächlichen wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten unterscheiden.
• Jeder Parameter wird so eingestellt, dass die Temperaturänderung T₅ des Modells 31a für den Temperaturfühler der tatsächlichen Temperaturänderung entspricht. Bei dem Modell 10a für den Elektromotor gemäß der vorliegenden Ausführungsform entspricht die Temperaturänderung des Temperaturfühlers 31 der tatsächlichen Temperaturänderung durch Berechnung der Wärmeübertragung zwischen den Modellen für die jeweiligen Komponenten. Selbst wenn beispielsweise die Temperaturen der Spule, des Statorkerns und dergleichen weiter von den tatsächlichen Temperaturen abweichen, sind die Parameter des Modells für den Elektromotor so eingestellt, dass die Temperatur des Temperaturfühlers einen Wert nahe der tatsächlichen Temperatur angibt. Als Ergebnis der Einstellung der Wärmekapazitäten und der wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten durch die weiter unten beschriebene Parametereinstellvorrichtung können alle Wärmekapazitäten und wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten der Komponenten den gleichen Wert aufweisen wie die tatsächlichen Wärmekapazitäten und wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten. Und wenn die Schätzeinrichtung die Temperaturen der Komponenten schätzt, so können die Temperaturen aller Komponenten die gleichen sein wie die tatsächlichen Temperaturen dieser Komponenten.
• Auf diese Weise wird das Modell für den Elektromotor gemäß der vorliegenden Ausführungsform erstellt, um die Temperatur zu schätzen, die von dem Temperaturfühler ausgegeben wird, der an der Statorspule als einer Komponente eines einzelnen Elektromotors angebracht ist. Als nächstes wird eine Parametereinstellvorrichtung zum Einstellen von Parametern, einschließlich wärmeübertragungsbezogener Koeffizienten und Wärmekapazitäten, beschrieben.
• Bezugnehmend auf die 1, stellt die Parametereinstelleinheit 61 gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Wärmekapazitäten und die wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten, die in dem Modell 10a für den Elektromotor enthalten sind, sowie Konstanten k1, k2 in den Gleichungen (6) und (7) ein. Der Bediener betreibt den Elektromotor 10 tatsächlich nach einem vorgegebenen Betriebsmuster. Die Zustandserfassungseinheit 62 erfasst den Lastfaktor des Elektromotors 10, die Drehzahl des Elektromotors 10 und die vom Temperaturfühler 31 ausgegebene Temperatur als einen Zustand des Elektromotors 10. Zusätzlich erfasst die Zustandserfassungseinheit 62 die Außenlufttemperatur von dem Außenlufttemperaturfühler 33.
• 4 stellt ein Diagramm eines ersten Betriebsmusters dar, wenn der Elektromotor betrieben wird, um die Parameter einzustellen, die in dem Modell für den Elektromotor gemäß der vorliegenden Ausführungsform enthalten sind. 4 stellt das Betriebsmuster bei Nulllast dar. Bei diesem Betriebsmuster wird die Drehzahl des Elektromotors 10 allmählich erhöht, ohne eine Last auf den Elektromotor 10 aufzubringen. Die Drehzahl des Elektromotors 10 wird erhöht, indem der Lastfaktor des Elektromotors in vorgegebenen Zeitintervallen vorübergehend erhöht wird.
• Die von dem Temperaturfühler 31 erfasste Temperatur steigt allmählich an. Zu den Zeitpunkten t1 bis t7 wird die Drehzahl des Elektromotors 10 durch ein vorübergehendes Erhöhen des Lastfaktors des Elektromotors 10 erhöht. Die Zustandserfassungseinheit 62 erfasst den Betriebszustand des Elektromotors 10 und die vom Temperaturfühler 31 ausgegebene Temperatur während des Zeitraums, in dem die Drehzahl des Elektromotors 10 allmählich erhöht wird. Genauer gesagt erfasst die Zustandserfassungseinheit 62 den Lastfaktor des Elektromotors 10, die Drehzahl des Elektromotors 10 und die von dem Temperaturfühler 31 ausgegebene Temperatur für jede vorbestimmte sehr kurze Zeitdauer, die in dem Speicherteil 51 gespeichert werden. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird eine konstante Außenlufttemperatur verwendet, aber die Ausführungsformen sind nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Die Zustandserfassungseinheit 62 kann die Außenlufttemperatur für jede sehr kurze Zeitdauer von dem Außenlufttemperaturfühler 33 ermitteln.
• Bezugnehmend auf die 1 erfasst die Zustandserfassungseinheit 62 einen Drehmomentbefehl, der in dem von der Betriebssteuereinheit 43 der Steuereinrichtung 41 erzeugten Betriebsbefehl enthalten ist. Die Zustandserfassungseinheit 62 kann den Lastfaktor des Elektromotors 10 aus dem Drehmomentbefehl berechnen. Zum Bespiel weist die Betriebssteuereinheit 43 einen Positionsregler und einen Drehzahlregler auf. Der Positionsregler berechnet aus dem Positionsbefehl einen Drehzahlbefehl auf der Grundlage des Betriebsprogramms. Der Drehzahlregler berechnet einen Drehmomentbefehl auf der Grundlage des Drehzahlbefehls. Der dem Elektromotor 10 zugeführte Strom wird auf der Grundlage des Drehmomentbefehls bestimmt. Die Betriebssteuereinheit 43 versorgt den Elektromotor 10 mit Strom, indem sie den Drehmomentbefehl oder einen Strombefehl an die Antriebsvorrichtung 44 sendet. Der Drehmomentbefehl entspricht dem Lastfaktor des Elektromotors 10, so dass die Zustandserfassungseinheit 62 den Lastfaktor aus dem Drehmomentbefehl berechnen kann.
• Die Parameterberechnungseinheit 63 berechnet die Parameter des Modells 10a für den Elektromotor auf der Grundlage der von der Zustandserfassungseinheit 62 erfassten Variablen. Die Parameterberechnungseinheit 63 gemäß der vorliegenden Ausführungsform berechnet Parameter, einschließlich der Wärmekapazitäten C₁, C₂, C₃, C₄, C₅ und der wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten ha, hb, h_C1, hc2, hc3 und hd, auf der Grundlage der erzeugten Wärmemenge in der Spule 16 und dem Statorkern 20 und der vom Temperaturfühler 31 erfassten Temperatur. Außerdem berechnet die Parameterberechnungseinheit 63 die Konstanten k1, k2 in den Gleichungen (6) und (7) als Parameter. Die Parameterberechnungseinheit 63 berechnet die Parameter so, dass die Änderung in der Temperatur des Modells 31a für den Temperaturfühler während der Simulation nahe an der Änderung der tatsächlichen Temperatur liegt.
• Die Parameterberechnungseinheit 63 stellt für jeden Parameter einen Anfangswert ein. Die Anfangswerte der Parameter können auf beliebige Weise eingestellt werden. Die Parameterberechnungseinheit 63 weist eine Verlustberechnungseinheit auf, die die erzeugte Wärmemenge aufgrund des primären Kupferverlusts der Spule 16 und die erzeugte Wärmemenge aufgrund des Eisenverlusts des Statorkerns 20 berechnet. Die Funktion der Verlustberechnungseinheit der Parameterberechnungseinheit 63 ist die gleiche wie die Funktion der Verlustberechnungseinheit 54 der Schätzeinrichtung 53. Deshalb verwendet die Parameterberechnungseinheit 63 die Verlustberechnungseinheit 54 der Schätzeinrichtung 53, um die erzeugte Wärmemenge zu berechnen. Die Verlustberechnungseinheit 54 berechnet den primären Kupferverlust P_c1 und den Eisenverlust P_i unter Verwendung der Tabelle 1 und der Gleichungen (6) bis (10) auf der Grundlage der Drehzahl des Elektromotors 10 und des Lastfaktors des Elektromotors 10, die von der Zustandserfassungseinheit 62 erfasst werden. Die Gleichungen (6) und (7) zur Berechnung des primären Kupferverlusts P_c1 und des Eisenverlusts P_i enthalten die Konstanten k1, k2. Außerdem berechnet die Verlustberechnungseinheit 54 den Verlust für die vorgegebene sehr kurze Zeitdauer dt, d.h. die erzeugte Wärmemenge für eine sehr kurze Zeitdauer. Somit berechnet die Verlustberechnungseinheit 54 den primären Kupferverlust P_c1 und den Eisenverlust P_i in den Gleichungen (1) und (2) auf der Grundlage der tatsächlich gemessenen Werte einschließlich des Betriebsbefehls für den Elektromotor (Lastfaktor) und des Ausgangssignals des Drehstellungsdetektors 32.
• Die Parameterberechnungseinheit 63 enthält eine Temperaturberechnungseinheit, die die Temperatur des Temperaturfühlers unter Verwendung des Modells für den Elektromotor schätzt. Die Funktion der Temperaturberechnungseinheit der Parameterberechnungseinheit 63 ist die gleiche wie die Funktion der Temperaturberechnungseinheit 55 der Schätzeinrichtung 53. Somit verwendet die Parameterberechnungseinheit 63 die Temperaturberechnungseinheit 55 der Schätzeinrichtung 53, um die Temperaturen der Komponenten zu schätzen. Die Temperaturberechnungseinheit 55 schätzt die Temperatur des Temperaturfühlers 31 auf der Grundlage des Modells 10a für den Elektromotor unter Verwendung der jeweiligen Parameter und des von der Verlustberechnungseinheit 54 berechneten Verlusts. Das heißt, die Temperatur des Modells 31a für den Temperaturfühler wird durch Simulation geschätzt.
• Die Temperaturberechnungseinheit 55 kann die von dem Temperaturfühler 31 erfasste Temperaturänderung über die Zeit nach dem Start des Betriebs des Elektromotors 10 auf der Grundlage der vorläufig eingestellten Parameter schätzen. Die Temperatur des Modells für jede Komponente des Elektromotors 10 kann unter Verwendung der Differentialgleichungen aus den obigen Gleichungen (1) bis (5) berechnet werden. Der Anfangswert der Temperatur jedes Komponentenmodells kann zum Beispiel auf die Temperatur der Außenluft eingestellt werden, wenn der Elektromotor 10 den Betrieb aufnimmt, d.h. auf die Raumtemperatur.
• Die Auswerteeinheit 66 der Parameterberechnungseinheit 63 wertet die Temperatur des Modells 31a für den Temperaturfühler aus, indem sie die in der Temperaturberechnungseinheit 55 berechnete Temperatur des Modells 31a für den Temperaturfühler mit der tatsächlich von dem Temperaturfühler 31 gemessenen Temperatur vergleicht. Die Auswerteeinheit 66 wertet die in dem Modell 10a für den Elektromotor vorläufig eingestellten Parameter aus. Die Auswerteeinheit 66 gemäß der vorliegenden Ausführungsform wertet nur die Temperatur des Modells 31a für den Temperaturfühler aus, ohne andere Variablen als die Temperatur des Modells 31a für den Temperaturfühler auszuwerten. Beispielsweise können zusätzlich zu dem Temperaturfühler 31 weitere Temperaturfühler an anderen Komponenten als der Spule 16 angebracht werden, wodurch die tatsächliche Temperatur erfasst wird. Es ist möglich, die Temperaturen mehrerer Temperaturfühler mit den durch Simulation erhaltenen Temperaturen zu vergleichen. Im vorliegenden Beispiel genügt es jedoch, dass die Temperaturänderung des Modells 31a für den Temperaturfühler nahe an der tatsächlichen Temperaturänderung liegt, und zumindest ein Teil der Temperaturen anderer Komponenten wird nicht ausgewertet.
• Als Nächstes ändert die Parameteränderungseinheit 67 der Parameterberechnungseinheit 63 die Parameter auf der Grundlage der Ergebnisse der Auswertung in der Auswerteeinheit 66. Auf der Grundlage der geänderten Parameter werden sodann die Berechnung des Verlusts durch die Verlustberechnungseinheit 54, die Berechnung der Temperatur des Modells für den Temperaturfühler durch die Temperaturberechnungseinheit 55, die Auswertung durch die Auswerteeinheit 66 und die Änderung der Parameter durch die Parameteränderungseinheit 67 durch die gleiche Berechnung wie oben wiederholt. Die Auswertung durch die Auswerteeinheit kann, wenn vorgegebene Bedingungen erfüllt sind, als endgültige Parameter bestimmt werden.
• Hier ist die Anzahl der Kombinationen von einer Vielzahl von Parametern in dem Modell 10a für den Elektromotor sehr groß. Eine Vielzahl von Parametern können durch ein Verfahren des maschinellen Lernens definiert werden. Zum Beispiel kann eine Vielzahl von Parametern durch ein Verfahren der Bayes'schen Optimierung eingestellt werden.
• Bei der Bayes'schen Optimierung wird eine auszuwertende Zielfunktion für erklärende Variablen mit Parametern als Eingaben erstellt. Dann werden die Parameter, für die die Zielfunktion voraussichtlich minimal oder maximal ist, gesucht und eingestellt. Durch Wiederholung dieser Suche nach den Parametern kann der optimale Wert der Parameter eingestellt werden. Außerdem kann der Bereich, in dem jeder Parameter eingestellt wird, vorgegeben werden.
• Hier wird in Bezug auf die Temperatur des Temperaturfühlers 31 die Differenz zwischen der Temperatur des Modells 31a für das Temperaturfühlermodell, die durch das Modell 10a für den Elektromotor geschätzt wird, und der Temperatur, die durch den tatsächlichen Temperaturfühler 31 erfasst wird, als Zielfunktion eingestellt. Das heißt, in Bezug auf die Temperatur des Temperaturfühlers 31 kann die Zielfunktion eine Differenz zwischen dem vorhergesagten Wert, der aus den Gleichungen (1) bis (5) auf der Grundlage der vorläufig eingestellten Parameter berechnet wurde, und dem tatsächlich gemessenen Wert, der tatsächlich durch den Temperaturfühler 31 erfasst wurde, verwenden. Als Zielfunktion kann zum Beispiel der Durchschnittswert der Differenzen innerhalb von sehr kurzen Zeitdauern, oder dergleichen, verwendet werden. Dann wird der nächste Parameter so gesucht, dass die Zielfunktion klein wird.
• Die Bayes'sche Optimierung kann die Suche nach den Parametern und die Auswertung der Parameter wiederholen. Die Auswerteeinheit 66 kann die Werte der aktuellen Parameter verwenden, solange die Zielfunktion innerhalb eines vorgegebenen Bestimmungsbereichs liegt. Weicht die Zielfunktion hingegen von dem vorgegebenen Bestimmungsbereich ab, so kann die nächste Suche nach Parametern ausgeführt werden. Beim Bayes'schen Optimierungsverfahren wird der Rechenaufwand reduziert, da die Suche unter Vorhersage des Bereichs, in dem die Lösung existiert, ausgeführt wird.
• Alternativ kann, zusätzlich zur Einstellung von Parametern durch Bayes'sche Optimierung, der Bereich, in dem jeder einzelne Parameter eingestellt wird, vorgegeben werden. Die Parameteränderungseinheit 67 der Parameterberechnungseinheit 63 stellt eine Vielzahl von Parametern nach dem Zufallsprinzip innerhalb eines Parameterbereichs ein. Die Temperaturberechnungseinheit 55 schätzt auf der Grundlage der eingestellten Parameter die Temperatur des Modells 31a für den Temperaturfühler. Die Auswerteeinheit 66 kann die eingestellten Parameter auf der Grundlage der tatsächlich gemessenen Werte der von dem Temperaturfühler 31 erhaltenen Temperaturen auswerten. Ein derartiges Verfahren der Einstellung von Parametern wird als „Random-Search““ Verfahren bezeichnet.
• Alternativ kann die Parameteränderungseinheit 67 Parameter in vorgegebenen Intervallen innerhalb des Bereichs, in dem die Parameter eingestellt werden, einstellen. Die Temperaturberechnungseinheit 55 schätzt die Temperatur des Modells 31a für den Temperaturfühler unter Verwendung der eingestellten Parameter. Die Auswerteeinheit 66 wertet alle Kombinationen der einzeln eingestellten Parameter aus. Dieses Verfahren wird als „Grid-Search“-Verfahren bezeichnet.
• Bei dem „Random-Search““ Verfahren oder dem „Grid-Search“-Verfahren, wie bei dem Bayes'schen Optimierungsverfahren, ermöglicht die Auswerteeinheit 66 ein Auswerten der Temperatur des Temperaturfühlers 31. Die Auswerteeinheit 66 kann die Werte der aktuellen Parameter verwenden, solange die Zielfunktion innerhalb eines vorgegebenen Bestimmungsbereichs liegt. Alternativ kann die Auswerteeinheit 66 die Parameter verwenden, für die die Zielfunktion am besten ist. Die Auswerteeinheit 66 kann in dem Modell 10a für den Elektromotor die Parameter bestimmen, die der vom Ist-Temperaturfühler 31 erfassten Temperatur nahe kommen.
• Bei der vorliegenden Ausführungsform wird eine Steuerung bezüglich des Wiederholens der Einstellung der vorläufigen Parameter, des Schätzens der Temperatur des Temperaturfühlers durch das Modell für den Elektromotor, und des Auswertens der vorläufigen Parameter, ausgeführt. Der Parameter wird so eingestellt, dass die Änderung in der vom Temperaturfühler 31 erfassten Temperatur genau geschätzt werden kann. Bei der vorliegenden Ausführungsform kann nur die Temperatur des Temperaturfühlers, der die Temperatur der Spule erfasst, in der Parameterauswertung ausgewertet werden, da die anderen Temperaturen als die des Temperaturfühlers fern von den tatsächlichen Temperaturen liegen können. Auf diese Weise können Parameter in kurzer Zeit und mit einem geringeren Rechenaufwand eingestellt werden.
• In 4 ist der Betrieb bei Nulllast als das Betriebsmuster dargestellt, das den Elektromotor 10 tatsächlich betreibt, aber das Betriebsmuster ist nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Bei der Bestimmung der Parameter des Modells 10a für den Elektromotor sollte der Betriebszustand des Elektromotors 10 vorzugsweise dadurch erfasst werden, dass der Elektromotor 10 in verschiedenen Betriebszuständen betrieben wird.
• 5 stellt ein zweites Betriebsmuster dar, das den Elektromotor tatsächlich betreibt, um die Parameter des Modells für den Elektromotor einzustellen. Bei dem zweiten Betriebsmuster steigt und fällt der Lastfaktor des Elektromotors 10 wiederholt. Der Lastfaktor des Elektromotors 10 wird stark verändert, wodurch sich die Drehzahl des Elektromotors ändert. Die von dem Temperaturfühler 31 erfasste Temperatur steigt oder fällt schnell. Das heißt, das zweite Betriebsmuster beinhaltet eine steile Temperaturänderung des Elektromotors.
• Bei dem in 5 dargestellten Beispiel wird der Lastfaktor des Elektromotors 10 zu jedem Zeitpunkt vom Zeitpunkt t11 bis zum Zeitpunkt t20 von 0% auf 100% erhöht. Die Drehzahl des Elektromotors steigt und die vom Temperaturfühler 31 erfasste Temperatur nimmt zu. Nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne wird der Lastfaktor des Elektromotors 10 auf 0 % reduziert. Die Drehzahl des Elektromotors 10 sinkt und die vom Temperaturfühler 31 erfasste Temperatur sinkt. Die Zustandserfassungseinheit 62 kann den Betriebsbefehl, die Drehzahl und die vom Temperaturfühler 31 ausgegebene Temperatur während des Betriebs, bei dem der Lastfaktor des Elektromotors 10 wiederholt ansteigt und fällt, erfassen.
• Im ersten, in der 4 dargestellten Betriebsmuster bei Nulllast, oder im zweiten, in der 5 dargestellten Betriebsmuster mit einer plötzlichen Temperaturänderung, ist die von der Schätzeinrichtung 53 geschätzte Temperatur fehleranfällig. Indem der Elektromotor im ersten oder im zweiten Betriebsmuster betrieben wird und die Parameter des Modells für den Elektromotor eingestellt werden, können die Parameter entsprechend verschiedener Lastbedingungen angepasst werden. Daher können Parameter berechnet werden, die die Temperatur des Temperaturfühlers in verschiedenen Betriebsmustern genau schätzen.
• Bei der oben genannten Ausführungsform wird als eine Elektromotor-Komponente zum Schätzen der Temperatur die Wicklungen aufweisende Spule als Beispiel angenommen, die Ausführungsformen sind jedoch nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Jede beliebige Komponente des Elektromotors kann als Komponente zum Schätzen der Temperatur verwendet werden. Unter Bezugnahme auf die 3 kann beispielsweise der Statorkern, der Rotor oder die Luftschicht als eine Komponente ausgewählt werden, deren Temperatur geschätzt wird. In diesem Fall ist der Temperaturfühler so angeordnet, dass er die tatsächliche Temperatur der Komponente erfasst, deren Temperatur durch die Temperaturschätzvorrichtung geschätzt wird. Wenn die Temperaturschätzvorrichtung beispielsweise die Temperatur des Statorkerns schätzt, so kann ein Temperaturfühler an dem Statorkern angebracht werden, um die Temperatur des Statorkerns zu erfassen.
• Bei der Temperaturschätzvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform genügt es, dass die Temperatur einer Komponente genau geschätzt werden kann. Daher können zumindest einige der Parameter für die Vielzahl von Wärmekapazitäten und die Vielzahl von wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten auf Werte eingestellt werden, die sich von den jeweiligen tatsächlichen Wärmekapazitäten bzw. den tatsächlichen wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten unterscheiden. Der Bediener wählt eine Komponente des Elektromotors aus und bringt den Temperaturfühler an dieser Komponente an. Die Parametereinstellvorrichtung kann Parameter, wie zum Beispiel einen wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten, auf die gleiche Weise einstellen wie die oben beschriebene Einstellung von Parametern zum Erfassen der Temperatur der Spule. Die Auswerteeinheit der Parameterberechnungseinheit wertet die Temperatur des Modells für den Temperaturfühler aus, indem sie die Temperatur des Modells für den Temperaturfühler mit der von dem Temperaturfühler für die tatsächliche Temperatur erfassten Temperatur vergleicht. Die Parameteränderungseinheit kann dann auf der Grundlage der Ergebnisse der Auswerteeinheit Parameter ändern. Außerdem kann die Auswerteeinheit die Parameter als endgültige Parameter bestimmen, wenn die Parameter eine vorbestimmte Bedingung erfüllen.
• Bei der oben genannten Ausführungsform wird ein Synchronmotor beschrieben, bei dem der Rotor einen Permanentmagneten aufweist, die Ausführungsformen sind jedoch nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Das Modell für den Elektromotor gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann auch auf einen Induktionsmotor angewendet werden, bei dem der Rotor keinen Permanentmagneten aufweist.
• 6 stellt ein Modell für einen zweiten Elektromotor gemäß der vorliegenden Ausführungsform dar. Der zweite Elektromotor ist ein Induktionsmotor. Der Rotor eines Induktionsmotors enthält einen korbförmigen Leiter, der aus rostfreiem Stahl oder Kupfer, oder dergleichen, besteht. Der Rotor des Induktionsmotors enthält keinen Permanentmagneten. Der korbförmige Leiter ist an der Welle befestigt und dreht sich zusammen mit der Welle als eine Einheit. Bei einem Induktionsmotor bewirkt die von der Spule des Stators erzeugte Magnetkraft, dass im Inneren des korbförmigen Leiters ein induzierter Strom fließt. Um den korbförmigen Leiter wird ein Magnetfeld erzeugt, und der Rotor dreht sich.
• Bei einem Induktionsmotor tritt ein sekundärer Kupferverlust P_c2 als Sekundärverlust auf, weil der Strom durch den korbförmigen Leiter fließt. Der Sekundärverlust entspricht der Joule-Wärme aufgrund des durch den korbförmigen Leiter fließenden Stroms. Bei einem Modell 27a für den zweiten Elektromotor wird im Rotor aufgrund des sekundären Kupferverlusts Wärme erzeugt. Bei dem zweiten Elektromotor sind die Wärmekapazitäten der Komponenten und die wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten zwischen den Komponenten die gleichen wie bei dem Modell 10a für den ersten Elektromotor.
• Unter den Differentialgleichungen für die Temperaturen der jeweiligen Komponenten bei dem Modell 27a für den zweiten Elektromotor unterscheidet sich die Differentialgleichung für die Berechnung der Temperatur des Rotors von derjenigen beim Modell 10a für den ersten Elektromotor. Die Differentialgleichung, die die Temperaturänderung des Rotors ausdrückt, wird durch die nachstehende Gleichung (11) dargestellt:
  Math. 5 $$\frac{{\text{dT}}_4}{\text{dt}}=\frac{{\text{P}}_{\text{c}2}+\text{hc}3\left({\text{T}}_3-{\text{T}}_4\right)}{{\text{C}}_4}$$

  

Pc2

sekundärer Kupferverlust

• Bei der Gleichung (11) wird die erzeugte Wärmemenge des sekundären Kupferverlusts P_c2 zur Gleichung (4) des Modells 11a für den Rotor des ersten Elektromotors hinzugefügt. Die Differentialgleichungen, die Temperaturänderungen in den anderen Komponenten darstellen, nämlich in der Spule, dem Statorkern, der Luftschicht und dem Temperaturfühler, sind identisch mit den Differentialgleichungen in einem thermischen Modell für den ersten Elektromotor.
• Hier wird ein Berechnungsverfahren für die erzeugte Wärmemenge aufgrund des sekundären Kupferverlusts beschrieben. Um den sekundären Kupferverlust im Leiter eines Rotors zu berechnen, ist es erforderlich den durch den Leiter fließenden Strom zu schätzen.
• 7 stellt ein Diagramm eines Stroms einer d-Achse und eines Stroms einer q-Achse bei der Durchführung der Vektorsteuerung eines Induktionsmotors dar. In 7 sind der Strom der d-Achse und der Strom der q-Achse, die durch den Stator fließen, durch Pfeile gekennzeichnet. Die d-Achse zeigt den Strom für die Erregung der Spule an, und die q-Achse zeigt den Strom für die Erzeugung des Drehmoments des Elektromotors an. Der Gesamtstrom I, der in den Statorkern fließt, wird durch Addition eines Stroms I_1d der d-Achse und eines Stroms I_1q der q-Achse im Vektor berechnet. Wenn der Erregerstrom klein ist, so beträgt hier ein Winkel θ zwischen dem Strom I und dem Strom I_1d der d-Achse 45°.
• 8 stellt ein Diagramm des Stroms der d-Achse und des Stroms der q-Achse bei zunehmendem Erregerstrom dar. 8 stellt ein Diagramm dar, wenn der Erregerstrom den Maximalstrom überschreitet. Bei zunehmendem Erregerstrom wird der Winkel θ zwischen dem Strom I und dem Strom I_1d der d-Achse größer als 45°. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die Gleichung zur Berechnung des Stroms der q-Achse der primärseitigen Spule entsprechend der Größe des d-Achsenstroms geändert. Wie in den Gleichungen (12) und (13) dargestellt, wird der Strom I_1q der q-Achse auf der Grundlage eines vorgegebenen Erregerstroms I_e berechnet.
  Math. 6
  Im Falle von $${\text{I}}_{1\text{q}}<\sqrt{2}\cdot {\text{I}}_{\text{e}}$$

  

  $${\text{I}}_{1\text{q}}=\text{I}$$

  

  $${\text{I}}_{1\text{q}}\geqq \sqrt{2}\cdot {\text{I}}_{\text{e}}$$

  

  $${\text{I}}_{1\text{q}}=\sqrt{{\text{I}}^2-{\text{I}}_{\text{e}}^2}$$

  

I1q

Strom der q-Achse auf der Primärseite

Ie

Erregerstrom

I

Strom

• Der Strom I wird hier durch Multiplikation des Stroms I_m bei maximaler Leistung mit dem Lastfaktor des Elektromotors berechnet. Der sekundäre Kupferverlust P_c2 kann dann durch die folgende Gleichung (14) auf der Grundlage des Stroms I_1q der q-Achse der primärseitigen Spule berechnet werden.
  Math. 7 $${\text{P}}_{\text{c}2}=\frac{\text{r}2\cdot {\text{M}}^2\cdot {\text{I}}_{1\text{q}}{}^2}{\text{L}{2}^2}$$

  

Pc2

sekundärer Kupferverlust

r2

Sekundärwiderstand

M

Gegeninduktivität

L2

sekundäre Induktivität

• Eine Induktivität L2 ist hier die Induktivität des korbförmigen Leiters und eine Gegeninduktivität M ist eine Gegeninduktivität zwischen dem korbförmigen Leiter und der Statorspule. Diese Werte, d.h. die Induktivität L2, die Gegeninduktivität M und ein Sekundärwiderstand r2 des Leiters, können vorgegeben werden. Der Gesamtverlust P_t und der primäre Kupferverlust P_c1 in einem Induktionsmotor können ähnlich wie der Gesamtverlust und der primäre Kupferverlust in einem Synchronmotor berechnet werden. Der Eisenverlust P_i kann dann durch die folgende Gleichung (15) berechnet werden:
  Math. 8 $${\text{P}}_{\text{i}}={\text{P}}_{\text{t}}-{\text{P}}_{\text{c}1}-{\text{P}}_{\text{c}2}$$

  

Pi

Eisenverlust

• Somit können der primäre Kupferverlust, der Eisenverlust und der sekundäre Kupferverlust auch in dem zweiten Elektromotor berechnet werden. Unter Verwendung des Modells 27a für den zweiten Elektromotor kann die Temperatur des Temperaturfühlers zum Erfassen der Temperatur der Komponente, wie zum Beispiel der Statorspule, geschätzt werden. Darüber hinaus kann die Parametereinstelleinheit 61 die Werte von Parametern, wie zum Beispiel Wärmekapazitäten, die in dem Modell für den zweiten Elektromotor enthalten sind, auf die gleiche Weise einstellen wie die Werte von Parametern, die in dem Modell für den ersten Elektromotor enthalten sind, eingestellt werden.
• 9 stellt ein Diagramm der Temperatur des Temperaturfühlers dar, die von der Schätzeinrichtung unter Verwendung der in der Parametereinstelleinheit gemäß der vorliegenden Ausführungsform eingestellten Parameter geschätzt wird. 9 stellt ein Diagramm der Simulation dar, die mit einem Parametersatz A und einem Parametersatz B ausgeführt wird, deren Werte sich voneinander unterscheiden. Dies ist ein Beispiel für einen zweiten Elektromotor. Der Parametersatz A und der Parametersatz B werden in der Parametereinstelleinheit 61 eingestellt. Die im Parametersatz A und im Parametersatz B enthaltenen Parameter sind in der Tabelle 2 dargestellt.
  Tabelle 2 Tabelle 2

  Parameter wärmeeinheit-übertragungsbezogener Koeffizient: [W/K]
  Masseeinheit: [kg]
  	Parametersatz A	Parametersatz B
  wärmeübertragungsbezogener Koeffizient ha	5,48	6,72
  wärmeübertragungsbezogener Koeffizient hb	10,82	13,78
  wärmeübertragungsbezogene Koeffizient hc1	2,82	1,49
  wärmeübertragungsbezogener Koeffizient hc2	1,056	13,35
  wärmeübertragungsbezogener Koeffizient hc3	7,5	7,26
  wärmeübertragungsbezogener Koeffizient hd	14,7	4,88
  Masse m1 der Spule	1,37	1,37
  Masse m2 des Statorkerns	23,19	24,2
  Masse m3 der Luftschicht	0,00347	0,000353
  Masse m4 des Rotors	3,43	4,7
  Masse m5 des Temperaturfühlers	0,072	0,02

• Der Parametersatz A und der Parametersatz B werden durch den Betrieb des zweiten Elektromotors mit unterschiedlichen Betriebsmustern erhalten. Die Tabelle 2 beschreibt die wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten, die durch Multiplikation der Wärmeübertragungskoeffizienten zwischen jeweiligen Komponenten des Elektromotors mit den jeweiligen Kontaktflächen erhalten werden. Die Wärmekapazität wird auch berechnet, indem die spezifische Wärme des Materials in jeder Komponente mit der Masse multipliziert wird. Die spezifische Wärme jedes Materials kann vorgegeben werden, so dass die Tabelle 2 die Masse m jeder Komponente zur Berechnung der Wärmekapazität zeigt. Ein Vergleich des Parametersatzes A mit dem Parametersatz B zeigt, dass einige Parameter, wie zum Beispiel die wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten hc2, hd und die Rotormasse m₄, sehr unterschiedliche Werte zwischen den beiden Parametersätzen A und B aufweisen.
• Andererseits ist unter Bezugnahme auf 9 erkennbar, dass die Temperatur des Temperaturfühlers, die unter Verwendung des Parametersatzes B geschätzt wird, gut mit der Temperatur des Temperaturfühlers übereinstimmt, die unter Verwendung des Parametersatzes A geschätzt wird. Insbesondere besteht eine gute Übereinstimmung zwischen den Temperaturänderungen sowohl während der Zeiträume, in denen die Temperatur steigt, als auch bei Temperaturschwankungen innerhalb eines vorgegebenen Bereichs. Außerdem stimmt die in 9 dargestellte Temperaturänderung, die von der Schätzeinrichtung 53 geschätzt wird, gut mit der Temperaturänderung überein, die von dem Temperaturfühler 31 erfasst wird, wenn der Elektromotor 10 tatsächlich betrieben wird.
• Es gibt einige Parameter mit sehr unterschiedlichen Werten zwischen dem Parametersatz A und dem Parametersatz B. So ist zu erkennen, dass der Parametersatz A und/oder der Parametersatz B andere Werte hat als der Parametersatz im tatsächlichen Elektromotor. Insbesondere ist zu erkennen, dass zumindest einige der Parameter unter der Vielzahl von Wärmekapazitäten und der Vielzahl von wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten auf Werte eingestellt sind, die sich von den tatsächlichen Wärmekapazitäten oder den tatsächlichen wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten unterscheiden. Zum Beispiel ist bei dem Koeffizienten hc2 des Parametersatzes A und dem Koeffizienten hc2 des Parametersatzes B zu erkennen, dass der Koeffizient für mindestens einen der wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten weit von dem tatsächlichen wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten entfernt ist.
• Somit kann in der Temperaturschätzvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Temperatur des Temperaturfühlers genau geschätzt werden, selbst wenn zumindest einige der Parameter unter der Vielzahl von Parametern von den tatsächlichen Werten abweichen. Auch kann die Parametereinstellvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Parameter des Modells für einen solchen Elektromotor einstellen. Wie oben beschrieben, können, wenn die Parametereinstellvorrichtung die Wärmekapazitäten und die wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten berechnet, alle Wärmekapazitäten und alle wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten den gleichen Wert haben wie die tatsächlichen Wärmekapazitäten und die tatsächlichen wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten. Wenn dann die Temperaturen der Komponenten durch die Schätzeinrichtung geschätzt werden, so können die Temperaturen aller Komponenten mit guter Genauigkeit den tatsächlichen Temperaturen der Komponenten entsprechen.
• Das Modell für den Elektromotor gemäß der obigen Ausführungsform besteht aus dem Modell für die Spule, dem Modell für den Statorkern, dem Modell für den Temperaturfühler, dem Modell für die Luftschicht, dem Modell für den Rotor und dem Modell für die Außenluft, aber die Modelle sind nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Das Modell für den Elektromotor kann Modelle für andere Komponenten enthalten. Zum Beispiel kann das Modell für den Elektromotor ein Modell für ein Gehäuse zum Halten des Stators und des Rotors, ein Modell für ein Lager, ein Modell für eine Welle zum Tragen des Rotors enthalten. Oder das Modell für den Elektromotor kann einige Modelle für die Komponenten nicht enthalten. Zum Beispiel kann das Modell für den Elektromotor das Modell für die Luftschicht nicht enthalten.
• Indem das Modell für das Gehäuse und das Modell für die Welle, oder dergleichen, aus dem Modell für den Elektromotor ausgeschlossen werden, kann der Rechenaufwand für das Schätzen der Temperatur des Temperaturfühlers oder der Rechenaufwand für das Einstellen der Parameter reduziert werden. Obwohl das Modell für den Elektromotor gemäß der vorliegenden Ausführungsform das Modell für das Gehäuse oder das Modell für die Welle, die eine relativ große Wärmekapazität haben, nicht enthält, kann die Simulation der Temperatur des Temperaturfühlers mit hoher Genauigkeit ausgeführt werden, wie in 9 dargestellt.
• Bei der oben genannten Temperaturschätzvorrichtung werden, wenn die Schätzeinrichtung die Temperatur des Temperaturfühlers unter Verwendung des Modells für den Elektromotor schätzt, die konstanten Werte des Kupferverlusts, des Eisenverlusts, der wärmeübertragungsbezogene Koeffizient und die Wärmekapazität verwendet, ohne von den Temperaturen der Komponenten des Elektromotors abhängig zu sein. Diese Verluste und Parameter können sich jedoch in ihrem Wert ändern, wenn sich die Temperaturen der Komponenten des Elektromotors ändern. Als Nächstes wird ein Beispiel für die Korrektur von mindestens einem von dem Kupferverlust, dem Eisenverlust, dem wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten und der Wärmekapazität in dem Modell für den Elektromotor auf der Grundlage der Temperaturen der Komponenten des Elektromotors beschrieben. Die Korrektur jedes einzelnen Parameters basiert auf einem Korrekturwert. Von dem Modell 10a für den ersten Elektromotor (siehe 3) und dem Modell 27a für den zweiten Elektromotor (siehe 6) wird hier das Modell 10a für den ersten Elektromotor als Beispiel genommen und beschrieben.
• Zunächst wird die Korrektur des Eisenverlusts beschrieben, der im Statorkern auftritt. Der Verlust des Elektromotors bei Nulllast wird durch den Eisenverlust im Statorkern verursacht. Der Eisenverlust wird durch eine Änderung des im Statorkern erzeugten magnetischen Flusses verursacht. Wenn die Temperatur des Rotors des Elektromotors ansteigt, so steigt hier auch die Temperatur des im Rotor enthaltenen Magneten an. Ein Magnet hat die Eigenschaft, dass seine Magnetkraft mit steigender Temperatur abnimmt. Wenn also die Temperatur des Magneten ansteigt, so nimmt der im Statorkern erzeugte Magnetfluss ab. Das heißt, der Eisenverlust nimmt mit steigender Temperatur des Rotors ab.
• 10 stellt ein Diagramm der Korrekturwerte für die Korrektur des Verlusts bei Nulllast für die Rotortemperatur dar. Die Korrektur des Eisenverlusts erfolgt in der Weise, dass der Eisenverlust umso geringer ist, je höher die Temperatur des Rotors ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird der Verlust bei Nulllast in Abhängigkeit von der Rotortemperatur korrigiert. Bezugnehmend auf 1 führt die Verlustberechnungseinheit 54 der Schätzeinrichtung 53 die Korrektur so aus, dass der Verlust des Elektromotors bei Nulllast umso geringer wird, je höher die Temperatur des Rotors ansteigt. Die Verlustberechnungseinheit 54 bestimmt einen Koeffizienten sn auf der Grundlage der Temperatur des Rotors. Und die Verlustberechnungseinheit 54 multipliziert den Verlust bei Nulllast mit dem Koeffizienten sn.
• Bei dem in 10 dargestellten Beispiel ist die Temperatur T₄ des Rotors von einer Raumtemperatur von 20°C bis zu einem Höchstwert von 130°C dargestellt. Wenn die Temperatur des Rotors 20°C beträgt, so ist der Koeffizient sn 100%, und wenn die Temperatur des Rotors auf dem Maximalwert ist, so ist der Koeffizient sn snx%. Der Koeffizient snx entspricht einem Korrekturwert, bei dem der Eisenverlust bei steigender Rotortemperatur verringert wird. Die Größe des Koeffizienten snx bei maximaler Rotortemperatur hängt von Eigenschaften, wie zum Beispiel der Form und dem Material des Rotorkerns und des Magneten ab. Der Koeffizient snx kann vom Bediener vorgegeben werden. Alternativ kann der Koeffizient snx bei maximaler Rotortemperatur durch die Parametereinstellvorrichtung wie unten beschrieben eingestellt werden.
• Unter Bezugnahme auf die 1, 3 und 10 berechnet die Verlustberechnungseinheit 54 der Schätzeinrichtung 53 den Koeffizienten sn auf der Grundlage der Temperatur T₄ des Rotors, die in dem Modell 10a für den Elektromotor berechnet wird. Die Tabelle 1 ist eine Verlustübersicht, die den Verlust und den Strom als Referenz darstellt. Die Tabelle 1 zeigt zum Beispiel eine Verlustübersicht, wenn die Rotortemperatur 20°C beträgt und der Koeffizient sn 100% ist.
• Die Verlustberechnungseinheit 54 kann den Wert, der sich aus der Multiplikation des aus der Verlustübersicht in Tabelle 1 erhaltenen Verlusts P_n bei Nulllast mit dem Koeffizienten sn ergibt, als den Verlust bei Nulllast nach Korrektur berechnen. Die Verlustberechnungseinheit 54 berechnet den Eisenverlust unter Verwendung des korrigierten Verlusts bei Nulllast. Gemäß der Gleichung (6) wird, wenn die Rotortemperatur ansteigt, der Verlust P_n bei Nulllast geringer und der Gesamtverlust P_t wird geringer. Dies führt zu einem geringeren Eisenverlust P_i gemäß der Gleichung (10). Die Temperaturberechnungseinheit 55 kann die Temperatur der den Temperaturfühler aufweisenden Komponente auf der Grundlage des korrigierten Eisenverlusts berechnen. Auf diese Weise kann die Größe des Eisenverlustes, der sich je nach Rotortemperatur ändert, berücksichtigt werden.
• Zu beachten ist, dass die Korrektur des im Statorkern auftretenden Eisenverlusts nicht auf die obige Konfiguration beschränkt ist. Der Eisenverlust kann auf der Grundlage der Rotortemperatur durch ein beliebiges Verfahren korrigiert werden. Zum Beispiel kann die Korrektur durch Multiplikation des Eisenverlusts, der für eine Rotor-Referenztemperatur berechnet wurde, mit einem auf der Rotortemperatur basierenden Koeffizienten ausgeführt werden.
• Als Nächstes wird die Korrektur des primären Kupferverlusts, der an der Spule entsteht, beschrieben. Der primäre Kupferverlust eines Elektromotors entspricht der Joule-Wärme, die an der Wicklung der Statorspule erzeugt wird. Der primäre Kupferverlust wird als das Produkt aus dem Primärwiderstand r1 in der Statorspule und dem Quadrat des Stroms I berechnet, wie in Gleichung (8) dargestellt. Hier hat die Spulenwicklung die Eigenschaft, dass der Widerstand mit steigender Temperatur zunimmt. Somit steigt der primäre Kupferverlust mit zunehmender Temperatur der Spule an.
• 11 stellt ein Diagramm des Primärwiderstandswerts für die Spulentemperatur dar. Unter Bezugnahme auf die 1, 3 und 11 erfolgt die Korrektur des primären Kupferverlusts in der Weise, dass der primäre Kupferverlust umso größer ist, je höher die Spulentemperatur ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird der Primärwiderstand in Abhängigkeit von der Spulentemperatur korrigiert. Die Verlustberechnungseinheit 54 bestimmt den Primärwiderstand r1 auf der Grundlage der Spulentemperatur. Und die Verlustberechnungseinheit 54 berechnet den primären Kupferverlust auf der Grundlage des Primärwiderstands.
• Bei dem in 11 dargestellten Beispiel ist eine Temperatur T₁ der Spule von einer Raumtemperatur von 20°C bis zu einem Höchstwert von 130°C dargestellt. Ein Primärwiderstand r1a kann, wenn die Spulentemperatur eine Raumtemperatur ist, im Voraus gemessen und bestimmt werden. Außerdem kann, wenn die Spulentemperatur auf dem Maximalwert ist, ein Primärwiderstand r1b im Voraus gemessen und bestimmt werden. Die Primärwiderstände r1a, r1b hängen vom Material, der Form und der Länge der Spulenwicklungen, oder dergleichen, ab. Alternativ können die Primärwiderstände r1a, r1b durch die Parametereinstellvorrichtung wie unten beschrieben eingestellt werden. Die Primärwiderstände r1a, r1b entsprechen den Korrekturwerten, die dazu dienen den primären Kupferverlust bei steigender Spulentemperatur zu vergrößern.
• Die Verlustberechnungseinheit 54 der Schätzeinrichtung 53 berechnet den korrigierten Primärwiderstand r1 auf der Grundlage der in dem Modell 10a für den Elektromotor berechneten Temperatur T₁ der Spule. Die Verlustberechnungseinheit 54 berechnet den primären Kupferverlust auf der Grundlage der Gleichung (8) unter Verwendung des korrigierten Primärwiderstands r1. Wenn die Spulentemperatur steigt, nimmt der primäre Kupferverlust zu, da der Primärwiderstand r1 größer wird. Die Temperaturberechnungseinheit 55 kann die Temperaturen der den Temperaturfühler aufweisenden Komponenten auf der Grundlage des korrigierten primären Kupferverlusts berechnen.
• Zu beachten ist, dass die Korrektur des primären Kupferverlustes, der in der Spule auftritt, nicht auf die obige Konfiguration beschränkt ist. Jedes Korrekturverfahren, das den primären Kupferverlust auf der Grundlage der Spulentemperatur korrigiert, kann verwendet werden. Zum Beispiel kann die Korrektur durch Multiplikation des berechneten Kupferverlustes mit einem Koeffizienten auf der Grundlage der Spulentemperatur erfolgen.
• Als Nächstes wird die Korrektur der zwischen den Komponenten eingestellten wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten beschrieben. Der Wärmeübertragungskoeffizient hat im Allgemeinen die Eigenschaft, dass der Wärmeübertragungskoeffizient umso größer wird, je größer der Temperaturunterschied zwischen den Komponenten ist. Außerdem ist jede Kontaktfläche zwischen den Komponenten konstant. Somit kann bei der Korrektur der wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten so vorgegangen werden, dass die wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten umso größer werden, je größer der Temperaturunterschied zwischen den Komponenten ist.
• 12 stellt ein Diagramm einer Konstante zur Korrektur des wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten in Bezug auf einen Temperaturunterschied zwischen den Komponenten des Elektromotors dar. Die horizontale Achse veranschaulicht den Temperaturunterschied zwischen den Komponenten des Elektromotors von einem Minimalwert von 0°C bis zu einem Maximalwert von 130°C. Die vertikale Achse veranschaulicht eine Konstante sh zur Korrektur des wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten, der eine Referenz darstellt. Der eine Referenz darstellende wärmeübertragungsbezogene Koeffizient kann vorgegeben werden. Hier wird der wärmeübertragungsbezogene Koeffizient, wenn der Temperaturunterschied zwischen den Komponenten 0°C beträgt, als wärmeübertragungsbezogener Koeffizient, der eine Referenz darstellt, definiert. Die Konstante sh ist 1, wenn der Temperaturunterschied zwischen den Komponenten 0°C beträgt. Wenn der Temperaturunterschied zwischen den Komponenten maximal ist, so ist die Konstante sh gleich shx.
• Unter Bezugnahme auf die 1, 3 and 12, berechnet die Temperaturberechnungseinheit 55 der Schätzeinrichtung 53 einen korrigierten wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten h' durch Multiplizieren des wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten h als Referenz mit dem Koeffizienten auf der Grundlage der Konstante sh, wie in der unten stehenden Gleichung (16) dargestellt.
  Math. 9 $$\text{h}\text{'}=\text{h}\left(\left(\text{shx}-1\right)\frac{\left({\text{T}}_{\text{a}}-{\text{T}}_{\text{b}}\right)}{130}+1\right)$$

  

h'

korrigierter wärmeübertragungsbezogener Koeffizient

h

wärmeübertragungsbezogener Koeffizient als Referenz

(Ta-Tb)

Temperaturunterschied zwischen Komponenten

• Die Gleichung (16) stellt den korrigierten wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten auf den wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten als Referenz ein, wenn der Temperaturunterschied zwischen den Komponenten 0°C beträgt. Die Konstante shx entspricht, wenn der Temperaturunterschied zwischen den Komponenten maximal ist, einem Korrekturwert, der den wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten entsprechend dem Temperaturunterschied zwischen den Komponenten ändert. Bei dem in 12 dargestellten Beispiel ist die Konstante shx größer als 1, und je größer der Temperaturunterschied zwischen den Komponenten ist, desto größer ist der Koeffizient, mit dem der wärmeübertragungsbezogene Koeffizient als Referenz multipliziert wird. Mit anderen Worten entspricht die in der 12 dargestellte Konstante shx einem Korrekturwert, der dazu dient den wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten zu vergrößern, wenn der Temperaturunterschied zwischen den Komponenten zunimmt. Die Konstante shx ist zum Beispiel ein Wert größer als 0 und kleiner als ungefähr 3. Die Konstante shx kann vorgegeben sein. Alternativ kann die Konstante shx von der Parametereinstellvorrichtung eingestellt werden, wie unten beschrieben.
• Die Temperaturberechnungseinheit 55 der Schätzeinrichtung 53 berechnet den Temperaturunterschied zwischen den Komponenten. Die Temperaturberechnungseinheit 55 erhält den wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten als Referenz zwischen den Komponenten. Die Temperaturberechnungseinheit 55 berechnet den korrigierten wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten auf der Grundlage der Gleichung (16). Die Temperaturberechnungseinheit 55 berechnet die Temperatur jeder Komponente unter Verwendung des korrigierten wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten.
• Zum Beispiel berechnet die Temperaturberechnungseinheit 55 den Temperaturunterschied zwischen der aktuellen Temperatur T₁ des Modells für die Spule und der aktuellen Temperatur T₂ des Modells für den Statorkern in dem Modell 10a für den Elektromotor. Der wärmeübertragungsbezogene Koeffizient als Referenz zwischen der Spule und dem Statorkern ist vorgegeben. Die Temperaturberechnungseinheit 55 berechnet den korrigierten wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten auf der Grundlage der Gleichung (16). Sodann berechnet die Temperaturberechnungseinheit 55 den Änderungsbetrag in der Temperatur T₁ des Modells für die Spule für eine sehr kurze Zeitdauer und den Änderungsbetrag in der Temperatur T₂ des Modells für den Statorkern für eine sehr kurze Zeitdauer unter Verwendung der korrigierten wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten in den obigen Gleichungen (1) und (2). Auf diese Weise kann die Temperatur der Komponente unter Berücksichtigung des wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten berechnet werden, der sich mit dem Temperaturunterschied zwischen den Komponenten ändert.
• Bei der obigen Konfiguration der Korrektur des wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten wird die Korrektur so vorgenommen, dass der wärmeübertragungsbezogene Koeffizient mit zunehmendem Temperaturunterschied zwischen den Komponenten größer wird, aber die Konfiguration ist nicht darauf beschränkt. Wenn die Konstante shx als Korrekturwert in der unten beschriebenen Parametereinstellvorrichtung berechnet wird, so gibt es Fälle, in denen der wärmeübertragungsbezogene Koeffizient kleiner wird, wenn der Temperaturunterschied zwischen den Komponenten größer wird. Das heißt, die Konstante shx kann kleiner als 1 sein. In diesem Fall kann die Schätzeinrichtung den wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten so korrigieren, dass der wärmeübertragungsbezogene Koeffizient umso kleiner wird, je größer der Temperaturunterschied zwischen den Komponenten ist. Auf diese Weise kann die Schätzeinrichtung Korrekturen vornehmen, die den wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten entsprechend dem Temperaturunterschied zwischen den Komponenten ändern.
• Als Nächstes wird die Korrektur der Wärmekapazität der Komponente beschrieben. Die Wärmekapazität hat im Allgemeinen die Eigenschaft, mit steigender Temperatur der Komponente größer zu werden. Daher kann die Wärmekapazität der Komponente so korrigiert werden, dass die Wärmekapazität umso größer wird, je höher die Temperatur der Komponente ist.
• 13 stellt ein Diagramm einer Konstante zur Korrektur der Wärmekapazität für die Komponententemperatur dar. Die horizontale Achse veranschaulicht die Temperatur der Komponente des Elektromotors von einem Minimalwert von 0°C bis zu einem Maximalwert von 130°C. Die vertikale Achse veranschaulicht eine Konstante sc zur Korrektur einer Referenzwärmekapazität. Die Referenzwärmekapazität kann vorgegeben werden. Bei dem vorliegenden Beispiel ist die Referenzwärmekapazität die Wärmekapazität, wenn die Temperatur der Komponente 0°C beträgt. Die Konstante sh ist 1, wenn die Temperatur der Komponente 0°C beträgt. Die Konstante sc ist scx, wenn die Temperatur der Komponente maximal ist.
• Unter Bezugnahme auf die 1, 3 and 13, berechnet die Temperaturberechnungseinheit 55 der Schätzeinrichtung 53 eine korrigierte Wärmekapazität C' durch Multiplizieren der Referenzwärmekapazität C mit dem Koeffizienten auf der Grundlage der Konstante sc, wie in der unten stehenden Gleichung (17) dargestellt:
  Math. 10 $$\text{C}\text{'}=\text{C}\left(\left(5\text{cx}-\text{1}\right)\frac{{\text{T}}_{\text{c}}}{130}+1\right)$$

  

C'

korrigierte Wärmekapazität

C

Referenzwärmekapazität

Tc

Temperatur der Komponente

• Die Gleichung (17) stellt die korrigierte Wärmekapazität auf die Referenzwärmekapazität ein, wenn die Temperatur der Komponente 0°C beträgt. Die Konstante scx entspricht, wenn die Temperatur der Komponente maximal ist, einem Korrekturwert, der die Wärmekapazität entsprechend der Temperatur der Komponente ändert. Bei dem in 13 dargestellten Beispiel ist die Konstante scx größer als 1, und je höher die Temperatur der Komponente ist, desto größer ist der Koeffizient, mit dem die Referenzwärmekapazität multipliziert wird. Das heißt, die in der 13 dargestellte Konstante scx entspricht dem Korrekturwert, der dazu dient die Wärmekapazität nach oben zu korrigieren, wenn die Temperatur der Komponente steigt. Die Konstante scx ist zum Beispiel ein Wert größer als 0 und kleiner als ungefähr 3. Die Konstante scx kann vorgegeben sein. Alternativ kann die Konstante scx von der Parametereinstellvorrichtung eingestellt werden, wie unten beschrieben.
• Die Temperaturberechnungseinheit 55 der Schätzeinrichtung 53 erfasst die Temperatur und die Referenzwärmekapazität der Komponente. Die Temperaturberechnungseinheit 55 berechnet die korrigierte Wärmekapazität jeder Komponente auf der Grundlage der Gleichung (17). Die Temperaturberechnungseinheit 55 kann die Temperatur jeder Komponente unter Verwendung der obigen Gleichungen (1) bis (5) und unter Verwendung der korrigierten Wärmekapazität berechnen. Auf diese Weise kann die Temperatur der Komponente unter Berücksichtigung der Wärmekapazität, die sich mit der Temperatur der Komponente ändert, geschätzt werden.
• Zu beachten ist, dass bei der obigen Konfiguration der Korrektur der Wärmekapazität die Korrektur so vorgenommen wird, dass die Wärmekapazität mit zunehmender Temperatur der Komponente größer wird, aber die Konfiguration ist nicht darauf beschränkt. Wenn die Konstante scx als Korrekturwert in einer unten beschriebenen Parametereinstellvorrichtung berechnet wird, so gibt es Fälle, in denen die Wärmekapazität kleiner wird, wenn die Temperatur der Komponente höher wird. Das heißt, die Konstante scx kann kleiner als 1 sein. In diesem Fall kann die Schätzeinrichtung die Wärmekapazität so korrigieren, dass die Wärmekapazität umso kleiner wird, je höher die Temperatur der Komponente ist. Auf diese Weise kann die Schätzeinrichtung eine Korrektur vornehmen, die die Wärmekapazität entsprechend der Temperatur der Komponente ändert.
• Die oben genannte Eisenverlustkorrektur, die Kupferverlustkorrektur, die Korrektur des wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten und die Wärmekapazitätskorrektur können in Kombination miteinander vorgenommen werden. Es kann aber auch eine beliebige der Korrekturen vorgenommen werden. Abhängig von der Temperatur jeder einzelnen Komponente kann mindestens einer bzw. eine von dem Eisenverlust, dem primären Kupferverlust, dem wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten und der Wärmekapazität korrigiert werden. Daher kann die Temperatur des Temperaturfühlers genauer geschätzt werden.
• Die Korrektur des sekundären Kupferverlusts in dem Modell 27a für den zweiten, in 6 dargestellten Elektromotor kann auf die gleiche Weise vorgenommen werden wie die Korrektur des primären Kupferverlusts. Unter Verwendung des korrigierten sekundären Kupferverlusts kann dann die Temperatur eines an einer beliebigen Komponente angebrachten Temperaturfühlers berechnet werden.
• In dem Modell für den Elektromotor kann also auf der Grundlage der Korrekturwerte mindestens eine bzw. einer von der Wärmekapazität, dem wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten, dem Eisenverlust und dem Kupferverlust korrigiert werden. Der Korrekturwert für die Korrektur der Wärmekapazität, oder dergleichen, kann in der oben beschriebenen Parametereinstellvorrichtung auf die gleiche Weise eingestellt werden wie die Einstellung der Parameter, wie zum Beispiel der Wärmekapazität und des wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten. Ähnlich wie die Wärmekapazität und der wärmeübertragungsbezogene Koeffizient kann der Korrekturwert in der oben beschriebenen Parametereinstellvorrichtung eingestellt werden, indem der Korrekturwert als ein unbekannter Parameter behandelt wird.
• Unter Bezugnahme auf die 1 kann die Parametereinstelleinheit 61 der Temperaturschätzvorrichtung 2 den Korrekturwert zum Beispiel durch ein Bayes'sches Optimierungsverfahren, oder dergleichen, einstellen. Die Parametereinstelleinheit 61 kann die jeweiligen Korrekturwerte auf die gleiche Weise berechnen wie die Einstellung der wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten und der Wärmekapazitäten. Zum Beispiel stellt die Parametereinstelleinheit 61 Parameter und Korrekturwerte, wie beispielsweise den wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten, auf vorläufige Anfangswerte ein. Die Zustandserfassungseinheit 62 erfasst den Betriebszustand des Elektromotors. Die Verlustberechnungseinheit 54 der Schätzeinrichtung 53 berechnet den Verlust auf der Grundlage des in der Zustandserfassungseinheit 62 erfassten Betriebszustands, wie zum Beispiel der Drehzahl des Elektromotors 10. Die Temperaturberechnungseinheit 55 der Schätzeinrichtung 53 schätzt die Temperatur des Modells 31a für den Temperaturfühler unter Verwendung des Modells für den Elektromotor auf der Grundlage des in der Verlustberechnungseinheit 54 berechneten Verlusts. In diesem Fall werden der Verlust und die Wärmekapazität, oder dergleichen, die basierend auf dem Korrekturwert korrigiert wurden, verwendet.
• Die Auswerteeinheit 66 der Parameterberechnungseinheit 63 wertet die mit vorläufig eingestellten Parametern und Korrekturwerten berechnete Temperatur des Modells 31a für den Temperaturfühler aus. Die Auswerteeinheit 66 wertet die Temperatur des Modells 31a für den Temperaturfühler aus, ohne andere Variablen als die Temperatur des Modells 31a für den Temperaturfühler auszuwerten. Die Parameterberechnungseinheit 63 kann die aktuellen Parameter und Korrekturwerte verwenden, solange die Temperatur des Modells 31a für den Temperaturfühler innerhalb des vorgegebenen Bestimmungsbereichs liegt. Zum Beispiel kann die Parameterberechnungseinheit 63 die aktuellen Parameter und Korrekturwerte verwenden, wenn die Differenz zwischen der Temperatur des Modells 31a für den Temperaturfühler und der vom Temperaturfühler 31 für die tatsächliche Temperatur ausgegebenen Temperatur gering ist. Weicht jedoch die Temperatur des Modells 31a für den Temperaturfühler von dem vorgegebenen Bestimmungsbereich ab, so ändert die Parameteränderungseinheit 67 die Parameter und die Korrekturwerte auf der Grundlage des Auswertungsergebnisses der Auswerteeinheit 66. Auf diese Weise kann das Einstellen der Parameter und der Korrekturwerte und das Auswerten der Temperatur des Modells für den Temperaturfühler wiederholt ausgeführt werden.
• Die Parameterberechnungseinheit 63 kann die Vielzahl von Wärmekapazitäten und die Vielzahl von wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten sowie die Korrekturwerte einstellen. Die Parameterberechnungseinheit 63 kann die Korrekturwerte auf die gleiche Weise einstellen wie ein Verfahren zum Einstellen der Wärmekapazität und des wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten. Der Korrekturwert, der in der Parameterberechnungseinheit 63 eingestellt wird, kann mit dem tatsächlichen Korrekturwert übereinstimmen oder sich von ihm unterscheiden. Das heißt, der Korrekturwert, der in der Parameterberechnungseinheit 63 eingestellt wird, kann vom tatsächlichen Korrekturwert abweichen. Beispielsweise können, bezugnehmend auf 11, die Primärwiderstände r1a, r1b als Korrekturwerte für die Berechnung des Primärwiderstands, der sich in Abhängigkeit von der Spulentemperatur ändert, einen anderen Wert oder den gleichen Wert wie der tatsächliche Primärwiderstand aufweisen. Was den Korrekturwert betrifft, so ist es ausreichend, wenn die Temperatur des Temperaturfühlers genau geschätzt werden kann.
• Die obigen Ausführungsformen können in geeigneter Weise kombiniert werden. In jeder der obigen Zeichnungen sind gleiche oder sich entsprechende Teile mit jeweils gleichen Symbolen bezeichnet. Die obigen Ausführungsformen sind Beispiele und schränken die Erfindung nicht ein. Außerdem umfassen die Ausführungsformen Modifikationen der in den Ansprüchen angegebenen Ausführungsformen.
• Liste der Bezugszeichen

2

Temperaturschätzvorrichtung

10

Elektromotor

10a

Modell für einen Elektromotor

11

Rotor

11a

Modell für einen Rotor

12

Stator

16

Spule

16a

Modell für eine Spule

20

Statorkern

20a

Modell für einen Statorkern

27a

Modell für einen Elektromotor

31

Temperaturfühler

31a

Modell für einen Temperaturfühler

32

Drehstellungsdetektor

35a

Modell für eine Luftschicht

43

Betriebssteuereinheit

54

Verlustberechnungseinheit

55

Temperaturberechnungseinheit

61

Parametereinstelleinheit

62

Zustandserfassungseinheit

63

Parameterberechnungseinheit

66

Auswerteeinheit

67

Parameteränderungseinheit

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• JP 202012654 A [0003, 0006]
• JP 201436475 A [0005, 0006]
• JP 201655657 [0005, 0006]
• JP 2018527019 A [0005, 0006]
• JP 2008109816 A [0006]

Claims (6)

1. Parametereinstellvorrichtung, die Parameter einstellt, die in einem Modell für einen Elektromotor enthalten sind, wobei das Modell für einen Elektromotor dazu konfiguriert ist, eine Temperatur eines Temperaturfühlers abzuschätzen, der eine Temperatur einer den Elektromotor bildenden Komponente erfasst, wobei die Parametereinstellvorrichtung aufweist: eine Zustandserfassungseinheit, die dazu ausgebildet ist, einen Betriebsbefehl für den Elektromotor, der durch den tatsächlichen Betrieb des Elektromotors erzeugt wird, und eine von dem Temperaturfühler ausgegebene Temperatur zu erfassen; eine Parameterberechnungseinheit, die dazu ausgebildet ist, die Parameter in einer Weise zu berechnen, dass eine Änderung in einer Temperatur eines Modells für den Temperaturfühler, die durch das Modell für den Elektromotor berechnet wird, einer tatsächlichen Änderung in einer Temperatur des Temperaturfühlers entspricht, wobei das Modell für den Elektromotor ein Modell für einen Rotor, ein Modell für einen Statorkern, ein Modell für eine Spule und das Modell für den Temperaturfühler als Modelle für Komponenten des Elektromotors beinhaltet, die Parameter eine Wärmekapazität beinhalten, die für jedes Modell für die Komponenten eingestellt wird, und einen wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten, der zwischen jeweils zwei der Modelle für die Komponenten eingestellt wird, wobei die Parameterberechnungseinheit aufweist: eine Verlustberechnungseinheit, die dazu ausgebildet ist, eine erzeugte Wärmemenge aufgrund eines primären Kupferverlusts der Spule und eine erzeugte Wärmemenge aufgrund eines Eisenverlusts des Statorkerns auf der Grundlage des Betriebsbefehls zu berechnen; eine Temperaturberechnungseinheit, die dazu ausgebildet ist, die Temperatur des Modells für den Temperaturfühler unter Verwendung des Modells für den Elektromotor auf der Grundlage der erzeugten Wärmemenge der Spule und der erzeugten Wärmemenge des Statorkerns zu berechnen; eine Auswerteeinheit, die dazu ausgebildet ist, die Temperatur des Modells für den Temperaturfühler auszuwerten, indem sie die Temperatur des Modells für den Temperaturfühler mit der Temperatur des Temperaturfühlers vergleicht, die von der Zustandserfassungseinheit erfasst wird; und eine Parameteränderungseinheit, die dazu ausgebildet ist, Werte der Parameter auf der Grundlage eines Ergebnisses der Auswertung durch die Auswerteeinheit zu ändern, und wobei die Auswerteeinheit die Temperatur des Modells für den Temperaturfühler auswertet, ohne andere Variablen als die Temperatur des Modells für den Temperaturfühler auszuwerten.
2. Parametereinstellvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Parameterberechnungseinheit mindestens einige der Parameter einer Mehrzahl der Wärmekapazitäten und einer Mehrzahl der wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten auf Werte einstellt, die von entsprechenden tatsächlichen Wärmekapazitäten oder tatsächlichen wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten verschieden sind.
3. Parametereinstellvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zustandserfassungseinheit den Betriebsbefehl und die von dem Temperaturfühler ausgegebene Temperatur während eines Zeitraums erfasst, in dem der Elektromotor betrieben wird, um ein Ansteigen und ein Abfallen eins Lastfaktors zu wiederholen.
4. Parametereinstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Zustandserfassungseinheit den Betriebsbefehl und die von dem Temperaturfühler ausgegebene Temperatur während eines Zeitraums erfasst, in dem der Elektromotor betrieben wird, um eine Drehzahl bei Nulllast allmählich zu erhöhen.
5. Parametereinstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Parameterberechnungseinheit die Parameter durch maschinelles Lernen berechnet, wobei eine Differenz zwischen der von dem Modell für den Elektromotor geschätzten Temperatur des Modells für den Temperaturfühler und einer von dem Temperaturfühler erfassten tatsächlichen Temperatur als eine Zielfunktion festgelegt wird.
6. Parametereinstellvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Modell für den Elektromotor in einer Weise gebildet wird, dass mindestens eine bzw. einer von der Wärmekapazität, dem wärmeübertragungsbezogenen Koeffizienten, dem Eisenverlust des Statorkerns und dem primären Kupferverlust der Spule auf der Grundlage eines Korrekturwerts korrigiert werden, wobei der Korrekturwert mindestens einen der unten angegebenen Korrekturwerte beinhaltet: einen Korrekturwert, der dazu konfiguriert ist, in einer Weise zu korrigieren, dass der Eisenverlust verringert wird, wenn die Temperatur des Rotors ansteigt; einen Korrekturwert, der dazu konfiguriert ist, in einer Weise zu korrigieren, dass der primäre Kupferverlust vergrößert wird, wenn die Temperatur der Spule ansteigt; einen Korrekturwert, der dazu konfiguriert ist, in einer Weise zu korrigieren, dass der wärmeübertragungsbezogene Koeffizient entsprechend eines Temperaturunterschieds zwischen den Komponenten geändert wird; und einen Korrekturwert, der dazu konfiguriert ist, in einer Weise zu korrigieren, dass die Wärmekapazität entsprechend der Temperatur der Komponente geändert wird, und wobei die Parameteränderungseinheit den Korrekturwert auf der Grundlage eines Ergebnisses der Auswertung durch die Auswerteeinheit ändert.

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