DE3736303A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung der temperatur eines buerstenlosen gleichstrommotors - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur messung der temperatur eines buerstenlosen gleichstrommotors

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Description

Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Temperatur eines bürstenlosen Gleichstrommotors.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Temperatur eines bürstenlosen Gleichstrommotors mit einem permanentmagnetischen Rotor und einer wenigstens dreiphasigen Wicklung mit elektronischer Kommutierung.
Es ist allgemein bekannt, zur Bestimmung der Motortemperatur einen Temperaturmeßfühler in der Wicklung vorzusehen und damit die Temperatur der Wicklung zu messen. Nachteilig bei dieser Einrichtung ist jedoch, daß die Temperatur nur an der Stelle gemessen werden kann, an der sich der Meßfühler befindet. Dies bedeutet, daß sowohl örtliche Temperaturüberhöhungen in anderen Bereichen des Motors, als auch die mittlere Motortemperatur nicht gemessen werden kann.
Eine weitere Möglichkeit zur Messung der Wicklungstemperatur besteht darin, den ohmschen Widerstand der Wicklung zu messen und aus diesem gemessenen Widerstandswert und einem Vergleichswert, d.h. einem Widerstandswert der Wicklung bei kaltem Motor, die Temperaturerhöhungen zu bestimmen. Dieses Verfahren läßt sich jedoch nur bei stillstehendem Motor anwenden und ist somit zur Überwachung der Motortemperatur während des Betriebs des Motors ungeeignet.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zum Erfassen der Motortemperatur zu schaffen, mit welchem die Temperatur des gesamten Motors bei beliebigen Betriebszuständen des Motors erfaßt wird.
Diese Aufgabe wird ausgehend von der Gattung der Ansprüche 1 oder 6 gemäß deren kennzeichnenden Merkmalen gelöst.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß nunmehr ohne eine Unterbrechung des Motorbetriebs eine Temperaturmessung durchgeführt werden kann und zur Temperaturmessung innerhalb des Motors keine zusätzlichen Elemente wie Meßfühler o.ä. erforderlich sind.
Es ist außerdem von Vorteil, daß diese Art der Temperaturmessung einen geringen schaltungstechnischen Aufwand erfordert und auch nachträglich an jedem Motor anordenbar ist. Die Einrichtung läßt sich bei den Motoren anwenden, bei denen die Wicklungen innerhalb bestimmter Zeitspannen stromlos sind. Dies sind insbesondere bürstenlose Gleichstrommotoren aber auch Schrittmotoren.
Vor allem bei bürstenlosen Gleichstrommotoren mit drei Wicklungssträngen läßt sich dieses Verfahren vorteilhaft anwenden. Wie allgemein bekannt ist, werden von den drei vorhandenen Wicklungssträngen eines Motors jeweils nur zwei gleichzeitig vom Strom durchflossen. Während der Zeitspanne, in der eine Wicklung stromlos ist, entsteht in dieser Wicklung ein Induktionsspannungsverlauf, der mit ungefähr konstanter drehzahlabhängiger Steigung von einem positiven zu einem ungefähr betragsgleichen negativen Wert abfällt bzw. von einem negativen zu einem positiven Wert ansteigt. Zur Erzeugung der Induktionsspannung - im nachfolgenden auch mit EMK bezeichnet - werden üblicherweise Permanentmagnete, z.B. Ferrite, verwendet. Diese verändern in Abhängigkeit von der Temperatur den magnetischen Fluß ⌀; ein typischer Wert für die Änderung ist z.B. -0,2%/K. Dadurch verändert sich bei konstanter Drehzahl die Induktionsspannung (EMK).
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, innerhalb des Meßzeitraums das Spannungsintegral der EMK zu bilden. Dieses ist allein abhängig von der Temperatur und verhält sich linear mit der Temperaturänderung. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, die Meßzeitpunkte so zu wählen, daß ein möglichst großer Meßzeitraum gebildet wird. Dieser entsteht dadurch, daß der Spannungs-Nulldurchgang der EMK das Startsignal und der Beginn des nachfolgenden Kommutierungsignals das Stoppsignal für die Integration definiert. Das Verfahren läßt sich in vorteilhafter Weise auch dann anwenden, wenn der Zusammenhang zwischen EMK und Erwärmung der Magnete nicht bekannt ist. In diesem Fall kann durch eine erste Messung vor der Erwärmung des Motors ein Bezugssignal gebildet werden, mit welchem unter Berücksichtigung der Temperaturkonstanten des Magnetmaterials bei nachfolgenden Messungen während des Betriebs des Motors dessen Temperatur bestimmt werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann realisiert werden in einer Einrichtung, bei der die in eine Wicklung induzierte EMK über einen Differenzverstärker einem Integrierglied zugeführt wird, wobei das Integrierglied innerhalb des Meßzeitraums die EMK aufintegriert und somit aus dem Integral die Temperatur des Motors ableitbar ist. Zur Ermittlung des Integrals über eine längere Zeitspanne kann in vorteilhafter Weise ein Spitzenwertgleichrichter der Einrichtung nachgeschaltet sein, so daß eine kontinuierliche Überwachung der Erwärmung des Motors möglich ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung. Nachfolgend wird anhand eines Ausführungsbeispiels die Erfindung näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 den Verlauf der EMK und der Kommutierung eines dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotors,
Fig. 2 den Verlauf der EMK bei unterschiedlichen Motortemperaturen,
Fig. 3 Schaltbild einer Einrichtung zur Ermittlung der Motortemperatur.
Die in Fig. 1 gezeigten Diagramme a) bis c) stellen den Verlauf der in den einzelnen Phasen induzierten EMK dar. Der Signalverlauf u in Diagramm a) zeigt die EMK in Phase 1, der Signalverlauf v in Diagramm b) den Signalverlauf der EMK in Phase 2 und der Signalverlauf w die EMK in Phase 3. Dieser Signalverlauf wird bei einem Rotor in bekannter Bauweise erzielt. In den Bereichen, in denen die EMK in den einzelnen Phasen nahezu linear verläuft, werden die entsprechenden Phasen mit Strom - in den Diagrammen a) bis c) dargestellt durch die Signale i u , i v , i w - beaufschlagt. Die Steuerung der Ströme erfolgt uber die Motorkommutierung. Die Kommutierungssignale A, B, C sind in den Diagrammen d) bis f) der Fig. 1 gezeigt.
Während den Zeiten, in welchen die EMK von einem positiven zu einem negativen Wert bzw. umgekehrt verläuft, befindet sich die jeweilige Phase in einem stromlosen Zustand. Dieses stromlose Zeitintervall, in Diagramm a) mit t 0 bezeichnet, kann genutzt werden, um Messungen an der Induktionsspannung vorzunehmen. Der Beginn dieses Zeitintervalls ist definiert durch das Abschalten des jeweiligen Phasenstroms, bedingt durch ein Kommutierungssignal. Das Ende des Zeitintervalls wird ebenfalls bedingt durch ein nächstes Kommutierungssignal, welches den Beginn des nächstens Zeitintervalls, in dem diese Phase mit Strom beaufschlagt ist, definiert. In dem hier gezeigten Beispiel wird das stromlose Zeitintervall t 0 in Diagramm a) durch das Kommutierungssignal B in Diagramm e) ausgelöst und durch das Kommutierungssignal A in Diagramm d) beendet. Der eigentliche Meßzeitraum innerhalb dieses stromlosen Zeitintervalls t 0 wird gestartet durch den Null-Durchgang der EMK. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, das gesamte stromlose Zeitintervall t 0 als Meßzeitraum heranzuziehen. In diesem Fall ist die Induktionsspannung zur Weiterverarbeitung gleichzurichten. Es hat sich jedoch gezeigt, daß der Meßzeitraum t M zur exakten Bestimmung der Motortemperatur völlig ausreicht.
In Fig. 2 ist der Verlauf der EMK innerhalb des Meßzeitraums t M in vergrößertem Maßstab dargestellt. Zur einfacheren Darstellung wurde der Verlauf der EMK innerhalb des Meßzeitraums t M negiert, so daß diese nunmehr, ausgehend von einem Null-Pegel, zu einem positiven Wert ansteigt.
Bei einem Motor, dessen Temperatur der Umgebungstemperatur entspricht, zeigt der Anstieg der EMK den mit u 1 dargestellten Verlauf. Dieser Verlauf wird sich, vorausgesetzt, daß fertigungsbedingte Flußänderungen der Permanentmagnete ausgeschlossen sind, bei jedem Motor in gleicher Weise einstellen. Während des Betriebs des Motors verändert sich aufgrund der Erwärmung des Motors und damit der Erwärmung der Permanentmagnete der magnetische Fluß ϕ der Permanentmagnete. Das bewirkt eine Veränderung der in die jeweilige Phase induzierten EMK bei konstanter Drehzahl. Der Anstieg der EMK innerhalb des Meßzeitraums t M wird flacher (Kurve u 2), so daß sich nach Ablauf der Zeit t M ein Endwert bei u ϑ 2 einstellen wird. Aufgrund der liniearen Abhängigkeit des magnetischen Flusses von der Temperatur läßt sich somit aus der Höhe der nach dem Meßzeitraum t M festgestellten Induktionsspannung u ϑ 2 die Temperatur der Permanentmagnete und damit des Motors ermitteln.
Bei einem Motor, bei dem die Abhängigkeit zwischen Magnetfluß und Temperatur bekannt ist, reicht die Ermittlung des Wertes u ϑ 2 völlig aus. Es besteht allerdings auch die Möglichkeit, eine Messung der EMK vor Betrieb des Motors vorzunehmen, um somit ein Bezugssignal zu erhalten und - aufbauend auf dieses Bezugssignal - die Änderung der EMK zu bewerten. Damit lassen sich fertigungsbedingte Flußänderungen der Permanentmagnete im Meßergebnis ausschalten.
Um drehzahlunabhängig zu werden, ist es zweckmäßig, nicht die drehzahlabhängige EMK direkt, sondern das Spannungszeitintegral der EMK, welches über alle Drehzahlen konstant ist, auszuwerten. Die Motortemperatur ϑ M ermittelt sich dann nach der Beziehung
ϑ M = K udt,
wobei K eine Temperaturabhängigkeitskonstante der Permanentmagnete und eine Umrechnungskonstante darstellt. Fig. 3 zeigt ein Schaltbild einer Einrichtung, mit welcher die Motortemperatur ermittelt werden kann. In dieser Figur sind drei Motorspulen 1, 2, 3 dargestellt, die über die Anschlußklemmen 4, 5, 6 entsprechend der Motorkommutierung mit Strom beaufschlagt werden. Zur Auswertung der EMK der Phase 1, die an der Motorspule 1 induziert wird, ist ein Differenzverstärker mit Eingangswiderständen 8, 9, 10 und einem Rückkopplungswiderstand 11 vorgesehen, dem die über der Motorspule 1 anstehende Spannung zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 7 wird über einen Eingangswiderstand 12 einem mit einem Rückführkondensator 14 beschalteten Integrierer 13 zugeführt. Eine Steuerschaltung 15, die den Spannungs-Null-Durchgang durch Auswerten der über der Motorspule 1 liegenden Spannung sensiert und welcher die Kommutierungssignale U A , U B , U C zugeführt werden, steuert in Abhängigkeit von diesen zugeführten bzw. sensierten Signalen einen Schalter 16 zur Entladung des Rückführkondensators 14 derart, daß zu Beginn des Meßzeitraums t M eine Integration der Induktionsspannung, ausgehend von einem ladungsfreien Zustand des Integrierglieds erfolgt. Das Ausgangssignal des Integrierer 13 wird einer Auswerteeinrichtung 17 zugeführt. Die Auswerteeinrichtung 17 bildet aus den Eingangssignalen die Fehlermeldung F j M ( ϑ M < Nenntemperatur) welche dann zur Weiterverarbeitung und gegebenenfalls zur Darstellung auf einer Anzeige zur Verfügung steht. Mit der Steuerleitung 18 kann die Fehlermeldung manuell oder extern unterdrückt werden. Selbstverständlich wird mit dieser Einrichtung in erster Linie die Temperatur der Permanentmagnete des Rotors bestimmt. Aufgrund des kompakten Aufbaus eines Gleichstrommotors kann jedoch, ausgehend von deren Temperatur, mit großer Genauigkeit auf die Temperatur des Stators und damit auf die Temperatur des gesamten Motors geschlossen werden.
Bezugszeichenliste:
 1 Motorspule
 2 Motorspule
 3 Motorspule
 4 Anschlußklemmen
 5 Anschlußklemmen
 6 Anschlußklemmen
 7 Differenzverstärker
 8 Eingangswiderstand
 9 Eingangswiderstand
10 Eingangswiderstand
11 Rückkopplungswiderstand
12 Eingangswiderstand
13 Integrierer
14 Rückführkondensator
15 Steuerschaltung
16 Schalter
17 Auswerteeinrichtung
18 Leitung
u EMK Phase 1 (Induktionsspannung)
v EMK Phase 2 (Induktionsspannung)
w EMK Phase 3 (Induktionsspannung)
A Kommutierungssignal
B Kommutierungssignal
C Kommutierungssignal
t M  Meßzeitraum
i u  Phasenstrom
i v  Phasenstrom
i w  Phasenstrom
t₀ stromloses Zeitintervall

Claims (7)

1. Verfahren zur Ermittlung der Temperatur eines bürstenlosen Gleichstrommotors mit einem permanentmagnetischen Rotor und einer wenigstens dreiphasigen Wicklung mit elektronischer Kommutierung, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der in eine Wicklung induzierten EMK während einer Phase, in welcher sich die Wicklung im stromlosen Zustand befindet, bestimmt und daraus die Temperatur ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb eines Meßzeitraums t M das Spannungsintegral der EMK gebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Amplitudenhöhe der EMK zu einem bestimmten Zeitpunkt, wobei der Zeitpunkt drehzahlabhängig verschiebbar ist, die Temperatur ermittelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßzeitraum t M durch den Spannungs-Null-Durchgang und den Beginn des nachfolgenden Kommutierungssignals gebildet ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Messung vor Erwärmung des Motors zur Bildung eines Bezugssignals durchgeführt wird.
6. Einrichtung zur Ermittlung der Temperatur eines bürstenlosen Gleichstrommotors mit einem permanentmagnetischen Rotor und einer wenigstens dreiphasigen Wicklung (1, 2, 3) mit elektronischer Kommutierung, dadurch gekennzeichnet, daß die in eine Wicklung (1) induzierte EMK insbesondere über einen Differenzverstärker (7, 11) einem Integrierglied (13, 14) zugeführt wird und eine Steuereinrichtung (15) vorgesehen ist, die im Zeitpunkt des Null-Durchgangs der EMK die Integration startet und zu Beginn des nachfolgenden Kommutierungssignals die Integration stoppt und eine nachfolgende Schaltung (17) das Integral der EMK innerhalb des Meßzeitraums abspeichert und wobei das abgespeicherte Signal ein temperaturproportionales Signal darstellt.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung zur Abspeicherung des Integrals einen Spitzenwertgleichrichter aufweist.
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