DE10009900A1

DE10009900A1 - Electrically commutated motor and method for controlling it using electronically switched single stator winding

Info

Publication number: DE10009900A1
Application number: DE10009900A
Authority: DE
Inventors: Stefan Beyer; Jens Teubel
Original assignee: Pierburg GmbH
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 2000-03-01
Filing date: 2000-03-01
Publication date: 2001-09-06

Abstract

A single stator winding (5) is connected across a bridge circuit of four transistors (14,15,16,17). Based on rotor position signals produced by a rotor position sensor an electronic circuit integral to the motor switches the transistors so that current flows in alternate directions through the winding

Description

Die Erfindung betrifft einen elektronisch kommutierten Motor sowie ein Ansteuerverfahren für einen elektronisch kommutierten Motor gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des jeweiligen unabhängigen Patentanspruchs.The invention relates to an electronically commutated motor and a control method for an electronically commutated motor according to the features of the preamble of respective independent claim.

Aus der DE 44 11 960 A1 ist ein elektronisch kommutierter Elektromotor, der mit einer Flüssigkeitspumpe gemeinsam in einem Gehäuse angeordnet ist, bekannt.From DE 44 11 960 A1 is an electronically commutated electric motor with a Liquid pump is arranged together in a housing, known.

Dieser elektronisch kommutierte Motor weist ein Ständerpaket auf, welches aus Einzelblechen und Wicklungen besteht. Weiterhin ist in dem Gehäuse eine Kommutierungselektronik angeordnet, an der ein Sensor zur Erfassung der Drehstellung eines Rotors des Motors angeschlossen ist, wobei das Ständerpaket von dem Rotor (Außenläufermotor) umgeben ist. In Abhängigkeit der erfaßten Drehstellung werden von der Kommutierungselektronik die Ständerwicklungen des Motors angesteuert. Die beiden Ständerwicklungen liegen parallel mit einem zugehörigen Transistor in einem Stromkreis, so daß mittels der Transistoren der Stromfluß durch die Ständerwicklungen alternierend ein- und abgeschaltet wird. Bedingt durch dieses Schaltungsprinzip der Kommutierungselektronik wird in dieser bekannten Flüssigkeitspumpe ein Anteil der eingespeisten elektrischen Energie in Wärme umgesetzt (Abkommutierungsenergie in dem Transistor).This electronically commutated motor has a stand package, which consists of There are individual sheets and windings. Furthermore, there is a Commutation electronics arranged on which a sensor for detecting the rotational position a rotor of the motor is connected, the stator package from the rotor (External rotor motor) is surrounded. Depending on the detected rotational position of the Commutation electronics controlled the stator windings of the motor. The two Stator windings are connected in parallel with an associated transistor in a circuit that the current flow through the stator windings alternates with the transistors and is switched off. Due to this circuit principle of the commutation electronics is a portion of the electrical feed in this known liquid pump Energy converted into heat (commutation energy in the transistor).

Dieser Wärmeeintrag hat den Nachteil, daß dadurch der Wirkungsgrad der Flüssigkeitspumpe reduziert ist. Je nach Wärmeeintrag ist es sogar erforderlich, Maßnahmen zu ergreifen, um die Flüssigkeitspumpe bzw. den Motor zu kühlen. Dies ist gerade dann von Nachteil, wenn die Flüssigkeitspumpe in einer an sich schon mit hohen Temperaturen versehenen Umgebung (zum Beispiel einem Motorraum eines Fahrzeugs) eingesetzt wird. Ebenso ist durch den erhöhten Wärmeeintrag die Lebensdauer sowie die Zuverlässigkeit der Flüssigkeitspumpe eingeschränkt.This heat input has the disadvantage that the efficiency of the Liquid pump is reduced. Depending on the heat input, it is even necessary Take measures to cool the liquid pump or the motor. This is This is particularly disadvantageous if the liquid pump itself is already high Environment (for example, an engine compartment of a vehicle) is used. Likewise, due to the increased heat input, the lifespan and the Limited reliability of the liquid pump.

Mit der aus der DE 44 11 960 A1 bekannten Kommutierungselektronik ist eine Drehzahlsteuerung bzw. Drehzahlregelung des Motors nicht möglich.With the commutation electronics known from DE 44 11 960 A1 Speed control or speed control of the engine is not possible.

Der Erfindung liegt daher Aufgabe der Erfindung zugrunde, ein Ansteuerverfahren für einen elektronisch kommutierten Motor sowie einen elektronisch kommutierten Motor anzugeben, mit dem die geschilderten Nachteile vermieden werden.The invention is therefore based on the object of the invention, a control method for a to specify electronically commutated motor and an electronically commutated motor, with which the disadvantages described are avoided.

Diese Aufgabe ist durch eines jeweiligen unabhängigen Patentanspruchs gelöst.This problem is solved by a respective independent patent claim.

Das erfindungsgemäße Ansteuerverfahren für den elektronisch kommutierten Motor sieht vor, daß die elektronischen Steuermittel die Kommutierung in zumindest einer, insbesondere nur einer Wicklung des Motors durch eine Umschaltung der Stromrichtung in dieser Wicklung vornehmen. Dadurch läßt sich der den Wirkungsgrad beeinträchtigende Wärmeeintrag deutlich reduzieren. Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß sich die Lebensdauer sowie die Zuverlässigkeit, insbesondere die ständige Verfügbarkeit, der Flüssigkeitspumpe deutlich erhöht. Außerdem wird die Betriebssicherheit verbessert, da die Betriebstemperatur des elektronisch kommutierten Motors gesenkt werden kann. Gesenkt wird auch der Energieverbrauch der Flüssigkeitspumpe im Betrieb, da die Abkommutierungsenergie in den Schaltmitteln (insbesondere Transistoren) der elektronischen Steuermittel deutlich verringert wird. Insgesamt ergibt sich so eine deutliche Reduzierung der Verlustleistung innerhalb der Flüssigkeitspumpe.The control method according to the invention for the electronically commutated motor sees before that the electronic control means commutation in at least one, in particular only one winding of the motor by switching the current direction in this Make the winding. This makes it possible to reduce the efficiency Significantly reduce heat input. This has the advantage that the service life as well as the reliability, especially the constant availability, of the liquid pump clearly increased. In addition, operational safety is improved as the operating temperature of the electronically commutated motor can be reduced. The is also lowered Energy consumption of the liquid pump in operation, since the commutation energy in the Switching means (especially transistors) of the electronic control means significantly reduced becomes. Overall, this results in a significant reduction in the power loss within the Liquid pump.

In Weiterbildung der Erfindung wird der Strom durch die Wicklung in Abhängigkeit zumindest eines vorgebbaren Parameters pulsbreitenmoduliert (pulsweitenmoduliert). Dadurch ist auf einfache Art und Weise eine Drehzahlsteuerung bzw. eine Drehzahlregelung des Motors der Flüssigkeitspumpe gegeben. Hierdurch kann die Förderleistung der Flüssigkeitspumpe in Abhängigkeit des zumindest einen vorgebbaren Parameters (bei dem es sich zum Beispiel um eine Soll-Fördermenge handelt) eingestellt werden.In a further development of the invention, the current through the winding is at least dependent of a predefinable parameter pulse width modulated (pulse width modulated). This is on simple way a speed control or a speed control of the engine Given liquid pump. As a result, the delivery rate of the liquid pump in Dependency of the at least one predefinable parameter (which is, for example is a target flow rate) can be set.

In Weiterbildung der Erfindung wird bei Feststellen einer vorgebbaren Übertemperatur der Flüssigkeitspumpe oder eines Bauteils der Flüssigkeitspumpe der Motor zumindest kurzzeitig zurückgeregelt bzw. abgeschaltet. Somit ist es in vorteilhafter Weise möglich, den Motor der Flüssigkeitspumpe bei Feststellen von Abnormalitäten kurzzeitig abzuschalten bzw. abzuregeln (zum Beispiel bei Vorliegen einer vorgegebenen Übertemperatur aufgrund hoher Temperaturen der Umgebung) oder sogar dauerhaft abzuschalten. Damit wird wirksam einer Beschädigung oder eines Ausfalles der Flüssigkeitspumpe aufgrund Übertemperaturen vorgebeugt. Diese Maßnahme trägt darüber hinaus wirksam zur Verlängerung der Lebensdauer der Flüssigkeitspumpe bzw. ihrer Bauteile bei, da diese Bauteile geringeren Beanspruchungen unterworfen sind. In a further development of the invention, when a predeterminable excess temperature is determined, the Liquid pump or a component of the liquid pump, the motor at least temporarily reduced or switched off. It is thus advantageously possible for the Shut off the liquid pump motor briefly if abnormalities are detected or to regulate (for example, if there is a predetermined excess temperature due to high ambient temperatures) or even permanently switch off. So that will effective damage or failure of the liquid pump due to Overheating prevented. This measure also contributes effectively Prolongation of the life of the liquid pump or its components, as this Components are subject to less stress.

Ein elektronisch kommutierter Motor ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Steuermittel derart ausgebildet sind, daß die Kommutierung in zumindest einer, insbesondere nur einer Wicklung durch eine Umschaltung der Stromrichtung in dieser einen Wicklung erfolgt. Dadurch ergeben sich die schon in Bezug auf das Ansteuerverfahren geschilderten Vorteile wie Verbesserung des Wirkungsgrades, Erhöhung der Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit, insbesondere bei hohen Temperaturbeanspruchungen, da die Verlustleistung innerhalb der Flüssigkeitspumpe deutlich reduziert ist, sowie als weiterer Vorteil, daß sich der Bauelementeaufwand in der Flüssigkeitspumpe reduziert, da das Ständerpaket des elektronisch kommutierten Motors mit nur noch einer einzigen Wicklung versehen werden muß. Wesentlich ist auch, daß die Steuermittel Bestandteil eines integrierten Schaltkreises sind, der auf den jeweiligen Einsatzzweck abgestimmt ist und nur wenig Bauraum beansprucht.An electronically commutated motor is characterized according to the invention in that the electronic control means are designed such that the commutation in at least one, in particular only one winding by switching the current direction in this a winding takes place. This results in the control procedure Advantages described such as improving efficiency, increasing reliability and operational safety, especially with high temperature stresses, because the Power loss within the liquid pump is significantly reduced, as well as further Advantage that the amount of components in the liquid pump is reduced, since that Stand package of the electronically commutated motor with only a single winding must be provided. It is also essential that the control means part of a integrated circuit, which is tailored to the respective application and only little space required.

In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die elektronischen Steuermittel derart ausgebildet sind, daß der Strom durch die Wicklung in Abhängigkeit zumindest eines vorgebbaren Parameters pulsbreitenmoduliert (pulsweitenmoduliert) wird. Dadurch sind Mittel zur Verfügung gestellt, um den Motor der Flüssigkeitspumpe bedarfsgerecht in seiner Drehzahl zu steuern bzw. zu regeln. Je nach Wahl des Parameters oder der Parameter (zum Beispiel die Temperaturen von elektronischen Bauteilen oder Schaltkreisen, die kritisch sein könnten) ist es auch denkbar, die Leistung des elektronisch kommutierten Motors bzw. seiner Anwendung zu reduzieren, insbesondere automatisch zu reduzieren, damit die Anwendung (zum Beispiel eine Pumpe, die von dem elektronisch kommutierten Motor angetrieben wird) zuverlässig, gegebenenfalls mit verringerter Leistung, weiterbetrieben werden kann. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn ein Betrieb mit verringerter Leistung möglich ist, ein Ausfall, wenn auch nur kurzzeitig, nachteilige (wie sicherheitskritische) Wirkungen hätte.In a further development of the invention it is provided that the electronic control means are designed so that the current through the winding depending on at least one Predeterminable parameters are pulse width modulated (pulse width modulated). Thereby Means are provided to power the liquid pump motor as needed To control or regulate speed. Depending on the choice of parameter or parameters (for Example the temperatures of electronic components or circuits that are critical could) it is also conceivable to improve the performance of the electronically commutated motor or to reduce its application, in particular automatically to reduce the Application (for example a pump by the electronically commutated motor driven) continues to operate reliably, possibly with reduced power can be. This is particularly important when operating with reduced performance a failure, even if only briefly, is disadvantageous (such as safety-critical) Would have effects.

In Weiterbildung der Erfindung weisen die elektronischen Steuermittel eine Vollbrückenanordnung, insbesondere eine im Vierquadrantenbetrieb arbeitende H-Brücke, auf. Eine solche Vollbrückenanordnung bzw. H-Brücke hat den Vorteil, daß sie sich kostengünstig und auf kleinsten Raum in einem integrierten Schaltkreis realisieren läßt und es in Abhängigkeit von Eingangssignalen (insbesondere in Abhängigkeit des Signals des Positionsgebers) die Kommutierung durch Umschaltung der Stromrichtung in dieser einen Wicklung ausgeführt werden kann. Durch die Integrierung der Vollbrückenanordnung in einem Schaltkreis (IC) kann dieser in dem Gehäuse der Flüssigkeitspumpe angeordnet werden. In a further development of the invention, the electronic control means have a Full bridge arrangement, in particular a four-quadrant H-bridge, on. Such a full-bridge arrangement or H-bridge has the advantage that it is can be realized inexpensively and in the smallest space in an integrated circuit and it depending on input signals (especially depending on the signal of the Position transmitter) commutation by switching the current direction in this one Winding can be performed. By integrating the full bridge arrangement in A circuit (IC) can be arranged in the housing of the liquid pump become.

In diesem Zusammenhang ist in Weiterbildung der Erfindung der Positionsgeber als Hallgeber ausgebildet, der den Vorteil hat, daß er berührungslos und damit weitestgehend verschleißfrei arbeitet. Auch mit dieser Maßnahme wird die Wahrscheinlichkeit für den Ausfall der Flüssigkeitspumpe deutlich verringert. Jedoch sind auch sensorlose Ansteuerungen möglich.In this context, in a further development of the invention, the position transmitter is as Hall transmitter trained, which has the advantage that it is contactless and therefore largely works without wear. With this measure, the probability of the Liquid pump failure significantly reduced. However, are also sensorless Controls possible.

Ein schematisch dargestelltes Ausführungsbeispiel, auf das die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, ist im folgenden erläutert und in der Figuren gezeigt.A schematically illustrated embodiment, but not to the invention is limited, is explained below and shown in the figures.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1: eine Flüssigkeitspumpe, die von einem elektronisch kommutierten Motor angetrieben wird, Fig. 1 shows a fluid pump which is driven by an electronically commutated motor,

Fig. 2: Schaltmittel einer Kommutierungselektronik nach dem Stand der Technik, FIG. 2 shows switching means of commutation according to the prior art,

Fig. 3: Steuermittel für den elektronisch kommutierten Motor der Flüssigkeitspumpe. Fig. 3: control means for the electronically commutated motor of the liquid pump.

Eine in Fig. 1 dargestellte Flüssigkeitspumpe 1 weist in ihrem Gehäuse einen elektronisch kommutierten Motor 2 auf, der Mittel antreibt, mit denen eine beliebige Flüssigkeit gefördert werden kann. Weiterhin sind in dem Gehäuse der Flüssigkeitspumpe 1 elektronische Steuermittel 3 integriert, wobei es sich bei dem elektronischen Steuermitteln 3 in der Regel um eine Leiterplatte handelt, auf der mehrere elektronische Bauteile bzw. Schaltkreise (IC) miteinander verschaltet sind. Der Signalaustausch zwischen den elektronischen Steuermitteln 3 und einer externen, nicht dargestellten Steuereinheit sowie die Stromversorgung für die Flüssigkeitspumpe 1 erfolgt über eine Schnittstelle 4, d. h., daß über die Schnittstelle 4 die elektronischen Steuermittel 3 zumindest Signale für den Betrieb der Flüssigkeitspumpe 1 erhalten, wobei auch die Energieversorgung über diese Schnittstelle 4 erfolgt. Selbstverständlich können die Energieversorgung und der Signalaustausch auch über voneinander getrennte Schnittstellen erfolgen.A liquid pump 1 shown in Fig. 1 has, in its housing on an electronically commutated motor 2, the driving means, with which any liquid can be promoted. Furthermore, electronic control means 3 are integrated in the housing of the liquid pump 1 , the electronic control means 3 generally being a printed circuit board on which a plurality of electronic components or circuits (IC) are interconnected. The signal exchange between the electronic control means 3 and an external control unit (not shown) and the power supply for the liquid pump 1 takes place via an interface 4 , that is to say that via the interface 4 the electronic control means 3 receive at least signals for the operation of the liquid pump 1 , whereby also the energy supply takes place via this interface 4 . Of course, the power supply and signal exchange can also take place via separate interfaces.

Der elektronisch kommutierte Motor 2 weist eine einzige Wicklung 5 auf, die elektrisch mit den elektronischen Steuermitteln 3 verbunden ist. Außerdem ist an dem elektronisch kommutierten Motor 2 ein Positionsgeber 6 angeordnet, der insbesondere als berührungslos wirkender Hallgeber ausgebildet ist und ebenfalls mit den elektronischen Steuermitteln 3 verschaltet ist. Durch die Zuführung der Positionssignale des Positionsgebers 6, der die Lage des Rotors des elektronisch kommutierten Elektromotors 2 in Bezug auf den Ständer repräsentieren, ist es den elektronischen Steuermitteln 3, die eine Vollbrückenanordnung aufweisen, möglich, durch Umschaltung der Stromrichtung in der Wicklung 5 die Kommutierung auszuführen.The electronically commutated motor 2 has a single winding 5 , which is electrically connected to the electronic control means 3 . In addition, a position sensor 6 is arranged on the electronically commutated motor 2 , which is designed in particular as a non-contact Hall sensor and is also connected to the electronic control means 3 . By supplying the position signals of the position transmitter 6 , which represent the position of the rotor of the electronically commutated electric motor 2 in relation to the stator, the electronic control means 3 , which have a full-bridge arrangement, are able to commutate by switching the current direction in the winding 5 to execute.

Mit den Bezugsziffern 7 und 8 sind die Anschlüsse der Flüssigkeitspumpe 1 bezeichnet. Als Mittel, die von dem elektronisch kommutierten Motor 2 angetrieben werden, sind Flügel 9 vorhanden.The connections of the liquid pump 1 are designated with the reference numbers 7 and 8 . Wings 9 are provided as means which are driven by the electronically commutated motor 2 .

Fig. 2 zeigt Schaltmittel einer Kommutierungselektronik nach dem Stand der Technik, wobei die beiden Ständerwicklungen 10 und 11 parallel mit ihren zugehörigen Transistoren 12 und 13 in einem Stromkreis liegen und mittels der Transistoren 12 und 13 der Stromfluß durch die Ständerwicklungen 10 und 11 alternierend in Abhängigkeit von nicht gezeigten Sensoren ein- und abgeschaltet werden. Fig. 2 shows switching means of commutation electronics according to the prior art, the two stator windings 10 and 11 lying in parallel with their associated transistors 12 and 13 in a circuit and by means of the transistors 12 and 13, the current flow through the stator windings 10 and 11 alternately depending can be switched on and off by sensors not shown.

Im Gegensatz hierzu zeigt Fig. 3 Steuermittel 3, die die einzige Wicklung 5 mittels einer Brückenanordnung in Abhängigkeit von Sensorsignalen ansteuern. Die Brückenanordnung weist in der gezeigten Verschaltung vier Transistoren 14 bis 17 auf, die mittels Sensoren (Positionsgeber 6) angesteuert werden und damit die Kommutierung durch Umschaltung der Stromrichtung in der Wicklung 5 vornehmen. Die Brückenanordnung liegt, in einem Stromkreis (+U bzw. Masse ⟂) und ist eine H-Brücke 18. Die Transistoren können gegebenenfalls auch ohne Sensoren angesteuert werden.In contrast to this, FIG. 3 shows control means 3 which control the single winding 5 by means of a bridge arrangement as a function of sensor signals. In the circuit shown, the bridge arrangement has four transistors 14 to 17 , which are controlled by means of sensors (position transmitter 6 ) and thus carry out the commutation by switching the current direction in the winding 5 . The bridge arrangement lies in a circuit (+ U or ground ⟂) and is an H bridge 18 . If necessary, the transistors can also be controlled without sensors.

Der erfindungemäße elektronisch kommutierte Motor eignet sich besonders für den Einsatz in Fahrzeugen, insbesondere bei Brennkraftmaschinen von Fahrzeugen wie zum Beispiel bei Restwärme- oder Wasserumwälzpumpen.The electronically commutated motor according to the invention is particularly suitable for use in vehicles, in particular in internal combustion engines of vehicles such as, for example Residual heat or water circulation pumps.

Claims

1. Control method for an electronically commutated motor of a liquid pump with electronic control means for commutation, characterized in that the electronic control means make the commutation in at least one winding, in particular only one winding, of the motor by switching the current direction in this winding.

2. Control method according to claim 1, characterized in that the current through the Winding pulse width modulated depending on at least one predefinable parameter (pulse width modulated).

3. Control method according to claim 1 or 2, characterized in that upon detection a specifiable excess temperature of the liquid pump or a component of the Liquid pump the engine is at least briefly reduced or switched off.

4. Electronically commutated motor ( 2 ) of a liquid pump ( 1 ), the motor ( 2 ) having a stator package with windings and electronic control means ( 3 ) for commutation 25 with a position transmitter ( 6 ) for detecting the position of a rotor of the motor ( 2 ) and a winding to each other, characterized in that the electronic control means ( 3 ) are designed such that the commutation in at least one winding ( 5 ), in particular only one winding ( 5 ), by switching the current direction in this winding ( 5 ) is done.

5. Electronically commutated motor ( 2 ) according to claim 4, characterized in that the electronic control means ( 3 ) are designed such that the current through the winding is pulse width modulated 35 (pulse width modulated) depending on at least one predefinable parameter.

6. Electronically commutated motor ( 2 ) according to claim 4 or claim 5, characterized in that the electronic control means ( 3 ) have a full bridge arrangement ( 18 ).

7. Electronically commutated motor ( 2 ) according to one of claims 4 to 6, characterized in that the position sensor ( 6 ) is designed as a Hall sensor.