Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
METHOD FOR DETERMINING THE CHARGE OF AN ELECTRIC DRIVE MOTOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2006/058509
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for determining the charge of an electric drive motor (2) which is coupled thereto in order to drive said motor. The aim of the invention is to identify a surcharge in an economical and reliable manner. As a result, a desired working point Adesired and an actual working point Aactual of the electric drive motor (2) are calculated, and the actual working point Aactual is compared to the desired working point Adesired and the deviation of the actual working point Aactual from the desired working point Adesired is evaluated in order to identify a surcharge of the electric drive motor (2). A current sensor is not required in order to identify a surcharge of the electric drive motor (2).

Inventors:
Dorner, Thomas (Ossiacherstrasse 11, Nürnberg, 90475, DE)
Application Number:
PCT/DE2005/001490
Publication Date:
June 08, 2006
Filing Date:
August 24, 2005
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
CONTI TEMIC MICROELECTRONIC GMBH (Sieboldstrasse 19, Nürnberg, 90411, DE)
Dorner, Thomas (Ossiacherstrasse 11, Nürnberg, 90475, DE)
International Classes:
H02P7/14; F24F11/02; G05D7/06
Foreign References:
EP1039139A1
US5019757A
US4806833A
CA2320581A1
EP0432747A2
Download PDF:
Claims:
Patentansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung der Belastung eines zum Antreiben mit einer Arbeitsmaschine (3) gekoppelten, elektrischen Antriebsmotors (2), umfassend die Schritte: a. Berechnen eines SollArbeitspunktes Asoπ des elektrischen Antriebsmotors (2), der einem SollLastDrehmoment MLsoii zugeordnet ist, b. Berechnen eines IstArbeitspunktes Aist des elektrischen An triebsmotors (2), der einem IstLastDrehmoment Myst zugeordnet ist, c. Vergleichen des Ist Arbeitspunktes Ajst mit dem Soll Arbeitspunkt Asoii, und d. Bewerten einer Abweichung des Ist Arbeitspunktes Aist von dem Soll Arbeitspunkt Asoli zum Erkennen einer Überlastung des elektrischen Antriebsmotors (2).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Soll Arbeitspunkt A80I1 durch eine berechnete SollDrehzahl Nsou des An triebsmotors (2) und der Ist Arbeitspunkt AjSt durch eine berechnete Ist Drehzahl Nist des Antriebsmotors (2) charakterisiert ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Soll Arbeitspunkt ASou durch einen berechneten SollStrom Isoπ des An triebsmotors (2) und der Ist Arbeitspunkt AjSt durch einen berechneten IstStrom Ijst des Antriebsmotors (2) charakterisiert ist.
4. Verfahren nach Ansprach 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Soll Strom Ig0H in Abhängigkeit von einer berechneten SollDrehzahl Nson des Antriebsmotors (2) und der IstStrom Iist in Abhängigkeit von einer berechneten IstDrehzahl N;st des Antriebsmotors (2) berechnet wird.
5. Verfahren nach Ansprach 4, dadurch gekennzeichnet, dass der SoIl Strom Isoa und der IstStrom Iist aus einer Strom/AntriebsDrehmomentKennlinie 1(MA) des Antriebsmotors (2) berechnet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die SollDrehzahl Nsou aus einer Drehzahl/Last DrehmomentKennlinie N(ML) der Arbeitsmaschine (3) und einer Drehzahl/AntriebsDrehmomentKennlinie N(MA) des Antriebsmotors (2) berechnet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 4 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, dass die Berechnung der SollDrehzahl Nsou in Abhängigkeit einer Spannung UA, einer Temperatur Tw von Wicklungen (8) und einer Temperatur TM von Permanentmagneten (6) des Antriebsmotors (2) sowie einer Lufttemperatur TL erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennlinien zumindest teilweise als Polynome dargestellt sind.
9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, .dass der elektrische Antriebsmotor (2) ein Gleichstrom nebenschlussMotor ist.
10. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsmaschine (3) ein Lüfterrad ist.
Description:
Verfahren zur Bestimmung der Belastung eines elektrischen Antriebsmotors

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Belastung eines zum Antreiben mit einer Arbeitsmaschine gekoppelten, elektrischen Antriebsmotors.

Der Einsatz elektrischer Antriebsmotoren hat im Kraftfahrzeugbereich eine große Bedeutung gewonnen. Im Kraftfahrzeug werden insbesondere elekt- ronisch angesteuerte Gleichstromnebenschluss-Motoren eingesetzt, beispielsweise zum Antrieb von Kühlerlüftern, da Gleichstromnebenschluss- Motoren einfach steuerbar oder regelbar sind. Beim Betrieb von derartigen Motoren muss sichergestellt sein, dass der Motor und die Ansteuerelektronik nicht durch Überströme zerstört werden. Überströme entstehen bei ei- ner Überlastung des Motors, beispielsweise wenn die Lager des Motors schwergängig sind. Überströme entstehen auch durch äußere Einflüsse, wie beispielsweise durch das Schleifen eines Lüfterrades aufgrund von Schmutzablagerungen oder bei einer Wasserdurchfahrt. In allen Fällen wird grundsätzlich von einer Schwergängigkeit bzw. einer Überlastung gesprochen, die zum Schutz des Motors und der Elektronik erkannt werden muss.

Es ist bekannt, die Schwergängigkeit von Motoren durch eine Strommessung zu erkennen. Nachteilig ist, dass hierzu ein Stromsensor erforderlich ist. Der Stromsensor bedeutet einen unerwünschten Kostenaufwand. Zudem kann der Stromsensor ausfallen.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, das eine Überlastung eines elektrischen Antriebsmotors zuverlässig und kostengünstig erkennt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1.

Der Kern der Erfindung besteht darin, dass eine Überlastung des elektrischen Antriebsmotors berechnet wird, ohne dass eine Strommessung erfor- derlich ist. Der Einsatz eines Stromsensors entfällt somit, wodurch Kosten eingespart werden und auch die Zuverlässigkeit der Erkennung einer Überlastung erhöht wird. Zur Erkennung einer Überlast des Antriebsmotors wird zunächst der Soll- Arbeitspunkt A so n des elektrischen Antriebsmotors berechnet, der einem Soll-Last-Drehmoment M Lso u zugeordnet ist. Der Soll- Arbeitspunkt A soU stellt den gewünschten Betriebspunkt des Antriebsmotors dar. Anschließend wird ein Ist- Arbeitspunkt A ist des elektrischen Antriebmotors berechnet, der einem Ist-Last-Drehmoment M List zugeordnet ist. Durch das Vergleichen des Ist- Arbeitspunktes Aj st mit dem Soll-Arbeitspunkt A so u können Abweichungen des Ist-Arbeitspunktes A ist von dem Soll-Arbeitspunkt A so n erkannt werden. Diese Abweichungen werden anschließend bewertet und es wird erkannt, ob eine Abweichung des Ist-Arbeitspunktes Aj st von dem Soll- Arbeitspunkt A so π eine Überlast des Antriebsmotors darstellt und somit kritisch ist oder nicht. Wird eine Abweichung als kritisch erkannt, können geeignete Gegenmaßnahmen ein- geleitet werden, beispielsweise ein zeitweises Abschalten des Antriebsmotors.

Eine Weiterbildung nach Anspruch 2 erlaubt das Bewerten der Abweichung des Ist- Arbeitspunktes A ist von dem S oll- Arbeitspunkt A so u anhand

der Abweichung der berechneten Soll-Drehzahl N so π von der berechneten Ist-Drehzahl N ist . Unterschreitet die Ist-Drehzahl N ist die Soll-Drehzahl N so u um einen bestimmten Wert, so liegt eine Überlastung des Antriebsmotors vor. Die Soll-Drehzahl N so n und die Ist-Drehzahl Nj st können leicht berech- net werden.

Eine Weiterbildung nach Anspruch 3 erlaubt das Bewerten der Abweichung des Ist- Arbeitspunktes A ist von dem Soll-Arbeitspunkt A sol i anhand der Abweichung des berechneten Soll-Stroms I soU von dem berechneten Ist- Strom Ii st . Überschreitet der Ist-Strom I ist den Soll-Strom I S0 π um einen bestimmten Wert, so wird eine Überlast des Antriebsmotors erkannt. Das Implementieren dieses Verfahrens in eine die Strommessung nach dem Stand der Technik auswertende Software- Struktur ist leicht möglich.

Eine Ausgestaltung nach den Ansprüchen 4 und 5 ermöglicht eine Berechnung des Soll-Stroms I so π und des Ist-Strom I ist .

Eine Ausführungsform nach Anspruch 6 fuhrt zu einer einfachen und präzisen Bestimmung der Soll-Drehzahl N so π, indem für die stationäre Be- rechnung der Soll-Drehzahl N so π der Schnittpunkt der Drehzahl/Drehmoment-Kennlinien der Arbeitsmaschine und des Antriebsmotors bestimmt wird.

Eine Weiterbildung nach Ansprach 7 führt zu einer sehr genauen Berech- nung der Soll-Drehzahl N so n.

Eine Ausgestaltung nach Anspruch 8 erlaubt eine rechenzeitoptimale Implementierung der Kennlinien in einen Mikrocomputer.

- A -

Eine Ausfübrungsform nach Ansprach 9 oder 10 erlaubt eine einfache Berechnung der Arbeitspunkte.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines Kühlerlüftersystems mit einem

Gleichstromnebenschluss-Motor zum Antreiben eines Lüfterrades,

Fig. 2 eine Schar von Drehzahl/Last-Drehmoment-Kennlinien N(M L ) in Abhängigkeit von einer Lufttemperatur T L ,

Fig. 3 eine Drehzahl/Antriebs-Drehmoment-Kennlinie N(MA) und eine

Strom/Antriebs-Drehmoment-Kennlinie I(MA) des Antriebsmotors,

Fig. 4 ein Drehzahl/Drehmoment-Diagramm zum Berechnen einer Soll- Drehzahl N 30I i und einer Ist-Drehzahl Ni st gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, und

Fig. 5 ein Strom/Drehmoment-Diagramm zum Berechnen eines Soll- Stromes I so π und eines Ist-Stroms Ii st gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.

In Figur 1 ist ein als Ganzes mit 1 bezeichnetes Kühlerlüftersystem eines Kraftfahrzeuges dargestellt. Das Kühlerlüftersystem 1 umfasst einen elektrischen Antriebsmotor 2 mit Gleichstromnebenschluss- Verhalten, eine Arbeitsmaschine 3 in Form eines Lüfterrades und eine Ansteuer-Elektronik 4 zum Ansteuern des Antriebsmotors 2. Der Antriebsmotor 2 wird im Folgenden als Gleichstrommotor bezeichnet. Der Gleichstrommotor 2 ist per-

manent erregt und weist auf einem Stator 5 Permanentmagnete 6 sowie auf einem Rotor 7 sfromdurchflossene Wicklungen 8 auf. Der Gleichstrommotor 2 treibt eine Welle 9 an, an der das Lüfterrad 3 befestigt ist. Durch die Drehung des Lüfterrades 3 wird ein Luftstrom 10 erzeugt, der einen Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeuges kühlt. Die Ansteuer-Elektronik 4 ist im Luftstrom 10 angeordnet und an dem Gleichstrommotor 2 befestigt. Sowohl die Ansteuer-Elektronik 4 als auch der Gleichstrommotor 2 werden von dem Luftstrom 10 gekühlt. Die Ansteuer-Elektronik 4, die sich aufgrund einer Verlustleistung erhitzt, weist eine Temperatur T E auf, die mit- tels eines nicht näher dargestellten Temperatursensors gemessen wird. Die Temperatur des Luftstromes 10, in dem sich das Lüfterrad 3 bewegt, wird als Lufttemperatur T L bezeichnet. Der Gleichstrommotor 2 weist eine von seiner Belastung abhängige Temperatur T w der Wicklungen 8 und eine von seiner Belastung abhängige Temperatur T M der Permanentmagnete 6 auf.

Das Lüfterrad 3 stellt für den Gleichstrommotor 2 eine Last dar, wobei der Gleichstrommotor 2 zum Antreiben des Lüfterrades 3 ein Drehmoment aufbringen muss. Das stationäre Verhalten des Lüfterrades 3 wird durch eine Last-Drehmoment/Drehzahl-Kennlinie ML(N) beschrieben. Die Last- Drehmoment/Drehzahl-Kennlinie ML(N) beschreibt den Zusammenhang zwischen dem Last-Drehmoment M L und der Drehzahl N des Lüfterrades 3, das heißt welches Last-Drehmoment M L erforderlich ist, um das Lüfter- • rad 3 mit einer konstanten Drehzahl N rotieren zu lassen. Zusätzlich ist die Last-Drehmoment/Drehzahl-Kennlinie M L (N) von der Lufttemperatur T L des Luftstromes 10 abhängig, da die Luftdichte bei steigender Temperatur T L abnimmt und somit für das Lüfterrad 3 einen geringeren Widerstand darstellt. Somit ergeben sich in Abhängigkeit der Lufttemperatur T L eine Vielzahl von Last-Drehmoment/Drehzahl-Kennlinien ML(N, T L ) des Lüfterrades 3. Diese Schar von Kennlinien kann allgemein durch die Funktion

M L (N,T L ) = N 2 . a - K L {T L )

beschrieben werden. ML bezeichnet dabei das Last-Drehmoment, N die Drehzahl, a eine geometrieabhängige Konstante und K L einen temperatur- abhängigen Korrekturfaktor des Lüfterrades 3. In der Praxis weist die geometrieabhängige Konstante a Werte zwischen MO "6 Ncm-min 2 und 1-10 "4 Ncm auf. Der temperaturabhängige Korrekturfaktor K L berechnet sich zu

κ Λ τ L )-

1 L und ist bei einer Lufttemperatur T L von 298 K (entspricht 25° C) gleich 1. Wird die obige Gleichung der Last-Drehmoment/Drehzahl-Kennlinien M L (N, T L ) nach der Drehzahl N aufgelöst, ergibt sich eine Schar von Drehzahl/Last-Drehmoment-Kennlinien N(M L , T L ), welche wiederum von der Lufttemperatur TL des Luftstromes 10 abhängig ist. In Figur 2 ist eine

Drehzahl/Last-Drehmoment-Kennlinie N(M L ) bei einer Lufttemperatur T L von 298 K dargestellt. Mit zunehmender Drehzahl N wird das Last- Drehmoment M L überproportional größer. Drehzahl/Last-Drehmoment- Kennlinien mit einer Lufttemperatur T L von > 298 K verlaufen oberhalb und Drehzahl/Last-Drehmoment-Kennlinien mit einer Lufttemperatur T L von < 298 K verlaufen unterhalb dieser Kennlinie. Die Schar von Last- Drehmoment/Drehzahl-Kennlinien M L (N, T L ) wird vor dem Einbau des Kühlerlüftersystems 1 in das Kraftfahrzeug an einem Drehmomentprüfstand ermittelt.

Die Lufttemperatur T L wird in dem Kühlerlüftersystem 1 nicht direkt gemessen, sondern muss aus der gemessenen Temperatur T E der Ansteuer-

Elektronik 4 berechnet werden. Hierbei muss die Verlustleistung, der thermische Widerstand und die thermische Zeitkonstante der Ansteuer- Elektronik 4 berücksichtigt werden. Die Lufttemperatur T L kann jedoch auch gemessen werden.

Das stationäre Verhalten des Gleichstrommotors 2 wird durch eine Antriebs-Drehmoment/Drehzahl-Kennlinie MA(N) und eine Strom/Antriebs- Drehmoment-Kennlinie I(MA) beschrieben. Die Antriebs-Drehmo- ment/Drehzahl-Kennlinie MA(N) des Gleichstrommotors 2 ist linear und beschreibt, welches Antriebs-Drehmoment MA der Gleichstrommotor 2 bei einer bestimmten Drehzahl N aufbringt. Die Strom/Antriebs-Drehmoment- Kennlinie 1(MA) des Gleichstrommotors 2 ist ebenfalls linear und beschreibt, welcher Strom I für die Erzeugung des Antriebs-Drehmoments MA in dem Gleichstrommotor 2 erforderlich ist. Wird die Antriebs- Drehmoment/Drehzahl-Kennlinie M A (N) umgerechnet und die Drehzahl N in Abhängigkeit von dem Antriebs-Drehmoment MA dargestellt, ergibt sich die Drehzahl/Antriebs-Drehmoment-Kennlinie N(M A ) des Gleichstrommotors 2. Die Drehzahl/Antriebs-Drehmoment-Kennlinie N(MA) und die Strom/Antriebs-Drehmoment-Kennlinie 1(MA) des Gleichstrommotors 2 sind in Figur 3 in einem Diagramm dargestellt. Die Kennlinien beschreiben das stationäre Betriebsverhalten des Gleichstrommotors 2 bei einer Spannung UA = UA N und den Temperaturen T w = T M = 298 K. Auf die Spannung UA sowie die Temperaturen T w und T M wird später genauer eingegangen. In Figur 3 sind vier stationäre Betriebspunkte des Gleichstrommo- tors 2 gekennzeichnet. Der Betriebspunkt mit dem Index I kennzeichnet den idealen Leerlauf des Gleichstrommotors 2. Dieser Betriebspunkt ist durch die Drehzahl N Ϊ5 das Antriebs-Drehmoment M A I = 0 Ncm und den Strom I 1 = 0 A charakterisiert. Das bedeutet, dass im idealen Leerlauf die Drehzahl des Gleichstrommotors maximal ist, da er kein Antriebs-

Drehmoment aufbringen muss und infolge dessen kein Strom in der Gleichstrommaschine 2 fließt. Der ideale Leerlauf ist in der Realität nicht erreichbar. Der Betriebspunkt mit dem Index 0 bezeichnet den tatsächlichen Leerlauf des Gleichstrommotors 2. Der tatsächliche Leerlauf ist durch die Drehzahl N 0 , das Antriebs-Drehmoment MA O und den Strom I 0 charakterisiert. Im tatsächlichen Leerlauf ist der Gleichstrommotor 2 nicht mit einer Arbeitsmaschine 3 gekoppelt, jedoch muss der Gleichstrommotor 2 ein geringfügiges Antriebs-Drehmoment MA O aufbringen, um die Lagerreibung und den Luftwiderstand bei der Drehung des Rotors 7 zu überwinden. Infolge dessen fließt in dem Gleichstrommotor ein Strom I 0 . Der Betriebspunkt mit dem Index N bezeichnet den Nenn-Betriebspunkt des Gleichstrommotors 2. Er ist charakterisiert durch die Nenn-Drehzahl NN, das Nenn-Antriebs-Drehmoment MA N und den Nenn-Strom I N . Im Nenn- Betriebspunkt wird der Gleichstrommotor 2 mit seiner Nenn-Last betrie- ben. Der Betriebspunkt mit dem Index A bezeichnet den Anlaufpunkt des Gleichstrommotors 2. Im Anlaufpunkt befindet sich der Gleichstrommotor 2 im Stillstand, das heißt die Anlauf-Drehzahl N A = 0. Das Anlauf- Antriebs-Drehmoment MAA ist im Anlaufpunkt maximal. Infolge dessen ist auch der Strom IA durch den Gleichstrommotor 2 maximal.

Nachfolgend wird lediglich der Teil des Antriebs-Drehmoments MA betrachtet, der tatsächlich auf das mit dem Gleichstrommotor 2 gekoppelte Lüfterrad 3 wirkt. Für die Drehzahl/Antriebs-Drehmoment-Kennlinie N(M A ) und die Strom/Antriebs-Drehmoment-Kennlinie 1(MA) au s Figur 3 bedeutet dies eine Verschiebung entlang der Antriebs-Drehmoment-Achse M A . Die auf das Lüfterrad 3 bezogene Drehzahl- Achse N ist in Figur 3 gestrichelt dargestellt. Bezogen auf das Lüfterrad 3 ist im tatsächlichen Leerlauf das auf das Lüfterrad 3 wirkende Antriebs-Drehmoment MA O ~ 0 und

die Strom/Antriebs-Drehmoment-Kennlinie 1(MA) ist keine Ursprungsgerade.

Die Drehzahl/Antriebs-Drehmoment-Kennlinie N(MA) kann bezogen auf das Lüfterrad 3 mathematisch in Form von folgender Geradengleichung dargestellt werden:

Der Term ΔN/ΔMA stellt die Steigung der Drehzahl/Antriebs- Drehmoment-Kennlinie N(M A ) dar. Die Steigung wird- aus der Messung zweier Betriebspunkte, beispielsweise dem realen Leerlaufund dem Nenn- Betriebspunkt, ermittelt. Der Achsenabschnitt N 0 der Geradengleichung wird aus der Messung des realen Leerlaufs ermittelt. Die Strom/Antriebs- Drehmoment-Kennlinie 1(MA) kann in Form von folgender Geradenglei- chung dargestellt werden:

AI

I{M A ) = M Λ + I 0

ΔΛZ

Der Term ΔI/ΔMA bezeichnet die Steigung der Strom/Antriebs- Drehmoment-Kennnlinie I(MA). Die Steigung wird aus der Messung zweier Betriebspunkte, beispielsweise dem realen Leerlaufund dem Nenn- Betriebspunkζ ermittelt. Der Achsenabschnitt I 0 der Strom/Antriebs- Drehmoment-Kennlinie 1(MA) wird ebenfalls aus der Messung des realen Leerlaufs ermittelt.

Die Drehzahl/Antriebs-Drehmoment-Kennlinie N(MA) und die Strom/Antriebs-Drehmoment-Kennlinie 1(MA) sind weiterhin abhängig von

der Spannung U A , die an die Wicklungen 8 des Gleichstrommotors 2 angelegt wird, und von den Temperaturen T w und T M des Gleichstrommotors 2. Das bedeutet, dass die Kennlinien aus Figur 3 das Verhalten des Gleichstrommotors 2 lediglich bei einer bestimmten Spannung U A und bestimm- ten Temperaturen T w und T M exakt beschreiben. In Figur 3 ist die Spannung UA gleich der Nenn-Spannung UA N und die Temperaturen T W = TM = 298 K. Zur Bestimmung der Kennlinien aus Figur 3 wird der Gleichstrommotor 2 demzufolge an zwei Betriebspunkten bei konstanten Temperaturen Tw = T M = 298 K und bei einer konstanten Spannung U A = UAN vermessen. Die Nenn-Spannung UAN des Gleichstrommotors 2 beträgt 13 V. Die Spannung U A wird an dem Kollektor des Gleichstrommotors 2 gemessen. Die Temperatur Tw des Gleichstrommotors 2 kennzeichnet die Temperatur der Wicklungen 8 und die Temperatur T M kennzeichnet die Temperatur der Permanentmagnete 6. Die Temperaturen T w und TM wer- den nach dem Einbau des Kühlerlüftersystems 1 in das Kraftfahrzeug nicht mehr gemessen, sondern aus der Temperatur T L des Luftstromes 10, der Verlustleistung des Gleichstrommotors 2, dem Widerstand R A der Wicklungen 8 und der thermischen Zeitkonstante des Gleichstrommotors 2 berechnet.

Wird die Abhängigkeit von der Spannung U A und der Temperaturen T w und TM in den Kennlinien des Gleichstrommotors 2 berücksichtigt, so ergeben sich allgemein folgende Gleichungen:

-M A +N 0 (U A ,T M )

I(M A , U A ,T M ,T w ) = -^-(T M ) - M A + I 0 (U A ,T ψ )

Zunächst wird die Abhängigkeit von der Spannung UA bei konstanten Temperaturen T w = T M = 298 K untersucht. Die Abhängigkeit der Drehzahl/Antriebs-Drehmoment-Kennlinie N(MA) von der Spannung UA besteht darin, dass die reale Leerlauf-Drehzahl Nq von der Spannung U A ab- hängig ist. Die Steigung der Drehzahl/Antriebs-Drehmoment-Kennlinie N(MA) ist unabhängig von der Spannung U A . Die Spannung UA geht direkt proportional in die reale Leerlauf-Drehzahl N 0 ein. In Bezug auf die Drehzahl/Antriebs-Drehmoment-Kennlinie aus Figur 3 bedeutet dies, dass, wenn die Spannung UA lediglich 0,5 -UA N beträgt, die reale Leerlauf- Drehzahl nur 0,5-No ist. Eine Änderung der Spannung UA führt somit zu einer Parallelverschiebung der Drehzahl/Antriebs-Drehmoment-Kennlinie aus Figur 3 entlang der N- Achse. Die spannungsabhängige Drehzahl/Antriebs-Drehmoment-Kennlinie N(M A , UA) wird mathematisch durch folgende Gleichung beschrieben:

Die Abhängigkeit der Strom/Antriebs-Drehmoment-Kennlinie 1(MA) von der Spannung U A besteht ebenfalls darin, dass der Achsenabschnitt I 0 von der Spannung U A abhängig ist. Die Spannung U A geht direkt proportional in den Strom Io ein. Eine Änderung der Spannung UA fuhrt somit zu einer Parallelverschiebung der Strom/Antriebs-Drehmoment-Kennlinie aus Figur 3 entlang der I- Achse. Die spannungsabhängige Strom/Antriebs- Drehmoment-Kennlinie 1(MA 5 UA) wird mathematisch durch folgende Glei- chung beschrieben:

U

/(M . A > u A )= AI

M Λ + I t A

ΔMA Λ ° U M

Nachfolgend wird die Abhängigkeit der Kennlinien aus Figur 3 von den Temperaturen T w und T M bei konstanter Spannung UA=UA N untersucht. In dem Gleichstrommotor 2 ist der ohmsche Widerstand der Wicklungen 8 und der magnetische Fluss der Permanentmagnete 6 temperaturabhängig. Die Wicklungen 8 werden aus Kupfer hergestellt, womit sich für den temperaturabhängigen ohmschen Widerstand R A der Wicklungen 8 folgende Gleichung ergibt:

R A (T W ) = R A (298K) • [l + 0,0039 • (T ψ - 298K)] = R Ä (298K) - K R (T W )

Die obige Gleichung beschreibt die Korrektur des ohmschen Widerstandes der Wicklungen 8 bei einer Temperatur Tw von 298 K. Der Korrekturfaktor K R (T W ) ist temperaturabhängig.

Bei einer Verwendung von Ferriten als Magnetmaterial wird die Temperaturabhängigkeit des magnetischen Flusses durch folgende Gleichung beschrieben:

Φ(T M ) = Φ{29SK) [1 + 0,002 • (298ÜT - T M )] = Φ(29SK) K φ (T M )

Die obige Gleichung beschreibt die Korrektur des magnetischen Flusses Φ bei einer Temperatur T M von 298 K. Der Korrekturfaktor K Φ (TM) ist temperaturabhängig.

Die Steigung der Drehzahl/Antriebs-Drehmoment-Kennlinie aus Figur 3 ist direkt proportional zum ohmschen Widerstand R A der Wicklungen 8, das heißt AN/ΔMA ~ RA- Weiterhin ist die Steigung der Drehzahl/Antriebs-

Drehmoment-Kennlinie aus Figur 3 umgekehrt proportional zum Quadrat des magnetischen Flusses, das heißt ΔN/ΔMA ~ 1/Φ 2 . Die reale Leerlauf- Drehzahl N 0 ist unabhängig vom ohmschen Widerstand RA der Wicklungen 8. Die reale Leerlauf-Drehzahl N 0 ist jedoch umgekehrt proportional abhängig vom magnetischen Fluss Φ, das heißt No ~ 1/Φ. In der Drehzahl/Antriebs-Drehmoment-Kennlinie N(M A ) aus Figur 3 ist bereits der Einfluss des ohmschen Widerstandes RA der Wicklungen 8 und der Ein- fluss des magnetischen Flusses Φ bei einer Temperatur T w = T M von 298 K enthalten, sodass zur Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit ledig- lieh die Korrekturterme K R (T W ) und K Φ (T M ) in die Drehzahl/Antriebs- Drehmoment-Kennlinie N(MA) aus Figur 3 eingeführt werden müssen. Unter Berücksichtigung der Proportionalitätsbeziehungen ergibt sich für die temperaturabhängige Drehzahl/Antriebs-Drehmoment-Kennlinie folgende Gleichung:

Die Steigung der Strom/Antriebs-Drehmoment-Kennlinie 1(MA) a ^s Figur 3 ist unabhängig von dem ohmschen Widerstand R A der Wicklungen 8. Jedoch ist die Steigung umgekehrt proportional zu dem magnetischen

Fluss, das heißt ΔI/ΔM A ~ 1/Φ. Der Achsenabschnitt I 0 der Strom/Antriebs- Drehmoment-Kennlinie I(M A ) aus Figur 3 ist umgekehrt proportional zu dem ohmschen Widerstand R A der Wicklungen 8, das heißt I o ~ 1/RA- Der Achsenabschnitt I 0 ist unabhängig vom magnetischen Fluss. In der Strom/Antriebs-Drehmoment-Kennlinie I(M A ) aus Figur 3 ist bereits der Einfluss des ohmschen Widerstandes R A und des magnetischen Flusses Φ bei einer Temperatur T w = T M von 298 K berücksichtigt. Zur Berücksichti-

gung der Temperaturabhängigkeit müssen in die Strom/Antriebs-Drehmo- ment-Kennlinie 1(MA) die Korrekturterme K R (T W ) und K Φ (T M ) eingeführt werden. Für die temperaturabhängige Strom/Antriebs-Drehmoment- Kennlinie ergibt sich somit:

AI

I(M A ,T M ,T W ) = ■ M A + I 0

AM 4 K Φ {T M ) A ° K R (T W )

Wird nun die Abhängigkeit von der Spannung UA und den Temperaturen Tw und TM berücksichtigt, ergeben sich für die spannungs- und tempera- turabhängige Drehzahl/Antriebs-Drehmoment-Kennlinie und

Strom/Antriebs-Drehmoment-Kennlinie des Gleichstrommotors 2 folgende Gleichungen:

N(M A ,U A ,T M ,T W )

l(M A ,U A ,T M ,T w ) = -^-. -±-^.M A + I 0 - U ' A < 1

AM, K φ {T M ) A ° U M K R (T W )

Mit der spannungs- und temperaturabhängigen Drehzahl/Antriebs- Drehmoment-Kennlinie N(MA,UA,TM,TW) und der spannungs- und tempe- raturabhängigen Strom/Antriebs-Drehmoment-Kennlinie 1(MA 5 UA 5 TM 5 TW) ist das Betriebsverhalten des Gleichstrommotors 2 sehr präzise in Abhängigkeit von der Spannung U A und den Temperaturen T w und T M bekannt. Diese Kennlinien des Gleichstrommotors 2 müssen vor dem Einbau des Kühlerlüftersystems 1 bei UA = UAN und T w = TM = 298 K ermittelt wer- den.

Zur Bestimmung der Belastung des Gleichstrommotors 2 müssen die span- nungs- und temperarurabhängigen Kennlinien des Gleichstrommotors 2 in einer Speicher- und Recheneinheit im Kraftfahrzeug gespeichert und verarbeitet werden. Da die Rechenkapazität in einem Kraftfahrzeug aus Kos- tengründen begrenzt ist, muss der Rechenaufwand bei der Auswertung der Kennlinien minimiert werden, insbesondere Divisionen erfordern einen hohen Rechenaufwand. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, die Terme KR(T W )/(K Φ (T M )) 2 , 1/K R (T W ) und 1/K Φ (T M ) als Polynome, insbesondere als quadratische Gleichungen, in Abhängigkeit von der Temperatur T A zu beschreiben. Somit kann der Rechenaufwand deutlich reduziert werden.

Nachfolgend wird ein Verfahren gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel zur Bestimmung der Belastung des mit dem Lüfterrad 3 gekoppelten Gleichstrommotors 2 beschrieben. Zunächst muss ein Soll- Arbeitspunkt Ag o ii des Gleichstrommotors 2 berechnet werden, wobei der Soll- Arbeitspunkt einem Soll-Last-Drehmoment M Lso ii zugeordnet ist. Der Soll- Arbeitspunkt A so π ist durch eine Soll-Drehzahl N so n des Gleichstrommotors 2 charakterisiert, die aus der spannungs- und temperaturabhängigen Dreh- zahl/Antriebs-Drehmoment-Kennlime N(MA,U A ,T M ,T W ) und der tempera- turabhängigen Drehzahl/Last-Drehmoment-Kennlinie N(ML,T L ) berechnet wird. Für den S oll- Arbeitspunkt A so u gilt, dass das auf das Lüfterrad 3 bezogene Antriebs-Drehmoment MA gleich dem Last-Drehmoment M L ist, das heißt MA= M L - ML SOI I- Der mit dem Lüfterrad 3 gekoppelte Gleichstrommotor 2 weist somit eine konstante Soll-Drehzahl N so u auf. Figur 4 zeigt die Drehzahl/Last-Drehmoment-Kennlinie N(M L ) bei einer Lufttemperatur T L von 298 K und die Drehzahl/Antriebs-Drehmoment-Kennlinie N(MA) bei der Nenn-Spannung UAN und einer Temperatur T w = T M von 298 K. Die gesuchte Soll-Drehzahl N so π bei der Momentengleichgewicht

herrscht, ergibt sich als Schnittpunkt der beiden Kennlinien. Rechnerisch wird die Soll-Drehzahl N so u dadurch ermittelt, dass das Soll-Last- Drehmoment M Lsoll = M A - ML aus der Drehzahl/Antriebs-Drehmoment- Kennlinie und der Drehzahl/Last-Drehmoment-Kennlinie eliminiert wird. Es ergibt sich eine Gleichung zweiter Ordnung in Abhängigkeit der Soll- Drehzahl N soU , aus der die Soll-Drehzahl N so u berechnet wird. Die Soll- Drehzahl Ng o ii ist dem Soll-Last-Drehmoment M Lso π zugeordnet.

Anschließend wird ein Ist- Arbeitspunkt A ist des Gleichstrommotors 2 be- rechnet, der durch eine Ist-Drehzahl Ni st des Gleichstrommotors 2 charakterisiert ist. Der Ist-Arbeitspunkt A ist ist einem Ist-Last-Drehmoment M L i st zugeordnet. Die Ist-Drehzahl N ist wird in Abhängigkeit von der induzierten Gegenspannung U EM κ und der Temperatur T M berechnet. Für die Ist- Drehzahl ergibt sich:

xr (rr γ \ - N - ^MK. L iV ist \ U EMK i 1 M ) - iV I u AN κ φ M )

Die Berechnung der Ist-Drehzahl Ni st ist möglich, indem der Gleichstrommotor 2 kurzzeitig bis zum völligen Abbau des Stromes I abgeschalten wird und im stromlosen Zustand die vom drehenden Gleichstrommotor 2 induzierte Gegenspannung U EM κ gemessen wird. Für die ideale Leerlaufdrehzahl N 1 muss in obiger Gleichung die ideale Leerlaufdrehzahl bei Nennspannung I AN eingesetzt werden. Aus einem Vergleich der Soll- Drehzahl N so ii und der Ist-Drehzahl Ni st kann nun die Drehzahl- Abweichung ÄN=Ni st -N so ii bestimmt werden. Die Drehzahl- Abweichung ΔN muss anschließend bewertet werden, um zu erkennen, ob eine Überlastung des Gleichstrommotors 2 vorliegt. Ist ΔN positiv, bedeutet dies, dass eine Drehzahlerhöhung durch Antreiben des Gleichstrommotors 2 vorliegt.

Dieser Zustand ist unkritisch. Ist die Drehzahl- Abweichung ΔN negativ, bedeutet dies, dass eine Drehzahlabsenkung aufgrund einer Schwergängig- keit, das heißt einer zu großen Belastung, vorliegt. Wird eine kritische Grenze ΔN max = N 1nJn -N so u unterschritten, ist eine Überlastung, das heißt Mii st > M Lmax , des Gleichstrommotors 2 vorhanden, die dauerhaft zu einer Beschädigung des Gleichstrommotors 2 führt. Überlastung bedeutet, dass durch den Gleichstrommotor 2 ein zu großer Strom fließt. In diesem Fall müssen Gegenmaßnahmen, wie beispielsweise eine Abschaltung des Gleichstrommotors 2, durchgeführt werden.

Nachfolgend wird ein Verfahren gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel zur Bestimmung der Belastung des mit dem Lüfterrades 3 gekoppelten Gleichstrommotors 2 beschrieben. Der Soll- Arbeitspunkt A so n ist durch einen berechneten Soll-Strom I sol i des Gleichstrommotors 2 charakterisiert. Die Berechnung des S oll- Stromes I so n erfolgt in Abhängigkeit der Soll- Drehzahl Ng o ii- Die Soll-Drehzahl N so π wird entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel ermittelt. Mit der berechneten Soll-Drehzahl N so u wird zunächst das zugehörige Soll-Last-Drehmoment M LSO U durch Einsetzen der Soll-Drehzahl in die Gleichung der Drehzahl/Antriebs-Drehmoment- Kennlinie ermittelt, das heißt es wird M^ o if" M A (N so ii) berechnet. Anschließend kann aus dem berechneten Soll-Last-Drehmoment M LSO I I der Soll-Strom I so n berechnet werden. Hierzu wird die Strom/Antriebs- Drehmoment-Kennlinie an der Stelle des Soll-Last-Drehmomentes ausgewertet, das heißt berechnet.

Anschließend wird der Ist- Arbeitspunkt A ist des Gleichstrommotors 2 berechnet. Dem Ist- Arbeitspunkt Aj St ist ein Ist-Last-Drehmoment Mij st zugeordnet. Die Berechnung des Ist-Stromes I ist erfolgt in Abhängigkeit der Ist-

Drehzahl Nj St . Die Ist-Drehzahl Ni st wird entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel berechnet. Anschließend wird das der Ist-Drehzahl N ist zugehörige Ist-Last-Drehmoment M^ t aus der Drehzahl/Antriebs-Drehmoment-Kennlinie berechnet, das heißt das Ist-Last-Drehmoment ergibt sich zu M L i st = M A (Ni st ). Durch Auswerten der Strom/Antriebs-Drehmoment-Kennlinie an der Stelle des Ist-Last-Drehmomentes ergibt sich der zugehörige Ist-Strom I ist9 das heißt Ii st = I(M L i st )- Anschließend wird der Ist- Strom I ist mit dem Soll-Strom I so n verglichen, das heißt es wird ΔI=Ii St -I So ii gebildet. Ist ΔI negativ, so liegt keine Überlastung des Gleichstrommotors 2 vor. Im Gegensatz dazu liegt eine Überlastung des Gleichstrommotors 2 vor, wenn ΔI positiv ist. Überschreitet die Abweichung des Ist-Stromes von dem Soll-Strom eine kritische Grenze ΔI max , das heißt ist Ii st > I max , müssen geeignete Gegenmaßnahmen ergriffen werden, um eine dauerhafte Beschädigung des Gleichstrommotors 2 zu verhindern.

Weiterhin kann bei einem spannungsbegrenzten Gleichstrommotor 2 auf eine Berechnung des S oll- Arbeitspunktes A so n verzichtet werden und der berechnete Ist- Arbeitspunkt A ist direkt mit einem vorgegebenen Soll- Arbeitspunkt A 5O i I verglichen werden. Beispielsweise kann der berechnete Ist-Strom Ii St direkt mit einem vorgegebenen Maximalstrom I max verglichen werden.

Eine Überlastung des Gleichstrommotors 2 kann somit ohne einen Stromsensor auf rein rechnerischem Wege erkannt werden. Durch die Berück- sichtigung der Spannungs- und Temperaturabhängigkeit der Kennlinien erfolgt die Berechnung des Soll- und des Ist-Arbeitspunktes präzise und zuverlässig.