DE10102235A1 - Bürstenlose Gleichstrommaschine - Google Patents

Abstract

Bei einer bürstenlosen, elektronisch kommutierten Gleichstrommaschine, insbesondere einen Gleichstrommotor, mit einer mehrphasigen Statorwicklung (12) und in Reihe mit den Wicklungsphasen (13) angeordneten elektronischen Leistungsschaltern (15) ist zur schnellen Abschaltung der Gleichstrommaschine bei mindestens einem defekten Leistungsschalter (15) eine Fehlerschutzvorrichtung vorgesehen, die eine im Fehlerfall elektrische beheizte Schmelzsicherung (16) mit einem maschinenstromführenden Schmelzdraht (17) aufweist (Fig. 1).

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer bürstenlosen, elektrisch kommutierten Gleichstrommaschine, insbesondere einem Gleichstrommotor, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einer solchen bürstenlosen Gleichstrommaschine, wie sie beispielsweise als Gleichstrommotor in der DE 3709 168 A1 beschrieben ist, sind die als Transitoren ausgeführten elektronischen Leistungsschalter in jeder Wicklungsphase auf der Oberspannungsseite der Wicklungsphase in Reihe mit dieser angeordnet. Die Leistungsschalter werden von der eine Steuerstufe zur Erzeugung von Schaltsignalen und eine Logikstufe zum folgerichtigen Anlegen der Schaltsignale an die Leistungsschalter umfassenden Steuereinheit sukzessive an die Netzgleichspannung angeschlossen.

Bei Verwendung von Feldeffekttransistoren, insbesondere MOS- FET, als kostengünstige elektronische Leistungsschalter werden diese auf der Niederspannungsseite der Wicklungsphasen als sog. Low-Side-Schalter angeordnet.

Fällt bei einer solchen Gleichstrommaschine ein Leistungsschalter aus, so gibt es zwei Fehlerfälle: der Leistungsschalter sperrt voll oder der Leistungsschalter wird leitend und führt mit oder ohne Restwiderstand Dauerstrom. Im ersten Fall ist die Funktion der Gleichstrommaschine eingeschränkt oder nicht mehr gegeben, was aber unkritisch ist. Der zweite Fall kann eine gefährliche Situation insoweit heraufbeschwören, als sich die Statorwicklung der Maschine und die Leistungsschalter aufheizen und so durch Dauerstrom ein Brand entstehen kann. Die in der Zuleitung zur Maschine manchmal vorhandenen temperaturempfindlichen Schmelzsicherungen können dieses Problem nicht lösen, da diese auf einen Strom ausgelegt sein müssen, der auch größer als dieser Dauerstrom sein kann. Außerdem lassen Schmelzsicherungen, bedingt durch ihre Serienstreuung, bis zum Siebenfachen ihres Nennstrom durch, so daß die Gefahr besteht, daß die Statorwicklung und/oder die elektrische Schaltung zu brennen anfängt, noch bevor die Schmelzsicherung anspricht.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße bürstenlose Gleichstrommaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, daß durch die Beheizung der Schmelzdraht sehr viel schneller durchschmilzt als wenn er nur von dem durch ihn hindurchfließenden Maschinen- oder Motorstrom aufgeheizt wird. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß im normalen Betrieb die Schmelzsicherung aufgrund des extrem niedrigen ohmschen Widerstands des Schmelzdrahts keinen zusätzlichen weiteren Widerstand im Stromkreis darstellt, der den Wirkungsgrad der Maschine bzw. des Motors nachteilig beeinflußt.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebene Gleichstrommaschine möglich.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Heizstrom für die elektrische Beheizung der Schmelzsicherung über den Schmelzdraht selbst geführt. Durch diese Maßnahme erhöht sich noch zusätzlich zur Beheizung des Schmelzdrahts der Stromfluß durch den Schmelzdraht um den zur Beheizung erforderlichen Heizstrom, so daß die Schmelztemperatur sehr viel schneller erreicht werden. Zusätzlich ergibt sich der Vorteil, daß mit Durchmelzen des Schmelzdrahts automatisch der Heizstrom abgeschaltet wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich zur elektrischen Beheizung der Schmelzsicherung längs des Schmelzdraht ein Heizdraht oder eine Heizpatrone, der oder die in Reihe mit einem im Fehlerfall schließenden elektronischen Schalter der Statorwicklung parallelgeschaltet ist. Der elektronische Schalter wird dabei vorteilhaft von der Steuereinheit für die elektronischen Leistungsschalter in der Statorwicklung gesteuert.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Zeit vom Auftreten des Fehlerfalls bis zum Ansprechen der Schmelzsicherung noch dadurch weiter verkürzt, daß die Steuereinheit so ausgelegt ist, daß sie im Fehlerfall ein Steuersignal an alle Leistungsschalter legt, das deren Schließen auslöst. Dadurch wird der über den Schmelzdraht fließende Strom extrem erhöht und die Schmelztemperatur in extrem kurzer Zeit erreicht.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann alternativ oder zusätzlich an oder nahe dem Schmelzdraht eine durch Erhitzen zündbare pyrotechnische Sprengkapsel angeordnet sein, die mit dem Heizdraht wärmeleitend verbunden ist. Mit Zünden der Sprengkapsel wird der Schmelzdraht aufgerissen und die Maschine stillgesetzt. Der für das Ansprechen der Sprengkapsel erforderliche Heizstrom kann dabei sehr viel niedriger ausgelegt werden als der Heizstrom für das Beheizen des Schmelzdrahts der Schmelzsicherung.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Stromversorgung für die Steuereinheit zwischen Schmelzsicherung und Statorwicklung, vorzugsweise vor einem der Glättung dienenden Kondensator, abgegriffen. Dies hat den Vorteil, daß mit Trennen der Statorwicklung vom Gleichspannungsnetz durch die ansprechende Schmelzsicherung auch die Stromversorgung für die Steuereinheit abgeschaltet ist.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines elektronisch kommutierten, bürstenlosen Gleichstrommotors,

Fig. 2 einen Schnitt einer Schmelzsicherung im Stromkreis des Gleichstrommotors gemäß Fig. 1, schematisch dargestellt,

Fig. 3 eine gleiche Darstellung wie in Fig. 2 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Schmelzsicherung,

Fig. 4 eine Ansicht eines Keramikkörpers der Schmelzsicherung in Richtung Pfeil IV in Fig. 3.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Der in Fig. 1 im Schaltbild dargestellte elektronisch kommutierte, bürstenlose Gleichstrommotor, als Ausführungsbeispiel für eine allgemeine Gleichstrommaschine, wird mittels einer Steuereinheit 11 zum elektronischen Kommutieren an einer Gleichspannungsquelle 10 betrieben. Der hier nur mit seiner Statorwicklung 12 dargestellte Gleichstrommotor weist in bekannter Weise einen die Statorwicklung 12 aufnehmenden Stator oder Ständer und einen im Stator drehenden Rotor oder Läufer mit Permanentmagnetpolen oder, im Falle eines sog. SR (Switch Reluctance)-Motors, mit einer Nut-Zahn-Geometrie auf. Die im Ausführungsbeispiel dreiphasige Statorwicklung 12 weist drei in Stern geschaltete Wicklungsphasen 13 auf, die über eine Zuleilung 31 an dem Pluspolential des Gleichspannungsnetzes 10 angeschlossen sind. Zwischen jeder Wicklungsphase 13 und dem über eine Rückleitung 21 mit dem Minuspotential des Gleichspannungsnetzes 10 verbundenen Sternpunkt 14, also auf der Niederspannungsseite der Statorwicklung 12, ist jeweils ein elektronischer Leistungsschalter 15 angeordnet. Die Leistungsschalter 15 sind vorzugsweise als Feldeffekttransistoren, insbesondere als MOS-FET, ausgeführt und von der Steuereinheit 11 so gesteuert, daß die Wicklungsphasen 13 folgerichtig und sukzessiv an das Gleichspannungsnetz 10 angeschlossen werden. Ein Glättungskondensator 32 ist den Reihenschaltungen aus Wicklungsphase 13 und Leistungsschalter 15 parallelgeschaltet.

In der Zuleitung 31 zur Statorwicklung 12 ist eine Fehlerschutzvorrichtung in Form einer elektrisch beheizbaren Schmelzsicherung 16 angeordnet. Die Schmelzsicherung 16 ist dabei so ausgelegt, daß sie im Fehlerfall, z. B. bei Ausfall einer der in der Statorwicklung 12 auf der "Low-Side" angeordneten Leistungsschalter 15 oder beim Durchschlagen des Glättungskondensators 32, mit einem Heizstrom beheizt wird, der einen den Strom in der Zuleitung 31 führenden Schmelzdraht 17 schnell auf dessen Schmelztemperatur bringt. Hierzu ist in der Schmelzsicherung 16 noch ein Heizdraht 18 vorgesehen, der sich längs des Schmelzdrahts 17 erstreckt und vorzugsweise als Heizwendel 19 ausgeführt ist. Der Heizdraht 18 bzw. die Heizwendel 19 ist in Reihe mit einem elektronischen Schalter 20 am Ausgang der Schmelzsicherung 16 zwischen Zuleitung 31 und Rückleitung 21 angeschlossen und damit parallel zur Statorwicklung 12 mit Leitungsschalter 15 geschaltet, so daß beim Schließen des elektronischen Schalters 20 der durch den Heizdraht 18 bzw. die Heizwendel 19 fließende Heizstrom zusätzlich über den Schmelzdraht 17 fließt. Dadurch wird der Schmelzdraht 17 mit einem höheren Strom beaufschlagt, wodurch der Schmelzdraht 18 zusätzlich erwärmt wird und so in verkürzter Zeit seine Schmelztemperatur erreicht. Anstelle des Heizdrahts 18 bzw. der Heizwendel 19 kann auch eine hier nicht dargestellte Heizpatrone zum Aufheizen des Schmelzdrahts 17 verwendet werden.

Der als Transistor ausgebildete elektronische Schalter 20 muß den hohen Heizstrom schalten, ist aber im Schaltmoment verhältnismäßig kalt und braucht die Schaltung nur einmal auszuführen, so daß er nicht als Leistungstransistor ausgelegt werden muß. Der elektronische Schalter 20 ist von der Steuereinheit 11 gesteuert und zwar derart, daß er im Fehlerfall ein sein Schließen bewirkendes Steuersignal erhält. Die Steuereinheit 11, deren Stromversorgung zwischen der Schmelzsicherung 16 und der Statorwicklung 12, vorzugsweise vor dem Glättungskondensator 32, abgenommen ist, überwacht die Wicklungsphasen 13 der Statorwicklung 12 auf Dauerstrom und erkennt bei Dauerstrom in einer der Wicklungsphasen 13 auf Fehlerfall, wonach dann das entsprechende Steuersignal an den elektronischen Schalter 20 gelegt wird. Einen solchen Dauerstrom kann die Steuereinheit 11 beispielsweise dadurch erkennen, daß der Strom in der Rückleitung 21 von der Statorwicklung 12 überwacht wird. Ein Dauerstrom in einer der Wicklungsphasen 13 liegt dann vor, wenn ein Strom in der Rückleitung 21 fließt, obwohl von der Steuereinheit 11 alle Leistungsschalter 15 im Sinne einer Schalteröffnung angesteuert sind. Auch ein Stromfluß über den defekten Glättungskondensator 32 kann durch die Stromüberwachung in der Rückleitung 21 erkannt werden. Des weiteren ist die Steuereinheit 11 so ausgelegt, daß sie bei Erkennen des Fehlerfalls an alle Leistungsschalter 15 ein Schließsignal legt, so daß der über den Schmelzdraht 17 fließende Strom maximal wird und durch seine Erhöhung zu einer zusätzlichen Erwärmung des Schmelzdrahts 17 beiträgt.

Konstruktive Ausführungsbeispiele für die beheizbare Schmelzsicherung 16 sind in Fig. 2 und 3 jeweils im Schnitt schematisch dargestellt. In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist der Schmelzdraht 17 in einem Keramikrohr 22 eingebettet und der Heizdraht 18 als Heizwendel 19 auf das Keramikrohr 22 aufgewickelt. Die Heizwendel 19 ist von einem Schutz- oder Isoliergehäuse 25 umschlossen. Der Schmelzdraht 17 ist zwischen zwei Anschlußklemmen 23, 24 eingespannt, die aus dem Schutzgehäuse 25 herausragen. An die Anschlußklemme 23 ist das Pluspotential des Gleichspannungsnetzes 10 zu legen, während die Anschlußklemme 24 mit der Statorwicklung 12 verbunden wird. Die Heizwendel 19 ist einerseits innerhalb des Schutzgehäuses 25 mit der Anschlußklemme 24 elektrisch leitend verbunden und weist andererseits eine aus dem Schutzgehäuse 25 herausgeführte Anschlußfahne 26 auf, die mit dem elektronischen Schalter 20 zu verbinden ist.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 sind Schmelzdraht 17 und Heizwendel 19 in jeweils einer Bohrung 27 bzw. 28 innerhalb eines Keramikkörpers 29 angeordnet. Die beiden parallelen Bohrungen 27, 28 sind in den Keramikkörper 29 dicht benachbart angeordnet, so daß zwischen ihnen nur eine dünne Trennwand 291 aus Keramikmaterial verbleibt. In Fig. 4 ist die Stirnansicht des im Querschnitt eiförmigen Keramikkörpers 29 dargestellt. Die dicht nebeneinander angeordneten Bohrungen 27, 28 weisen unterschiedliche Durchmesser auf. Wie bei der Schmelzsicherung 16 gemäß Fig. 2 verbindet auch hier der Schmelzdraht 17 die beiden aus dem Keramikkörper 29 herausgeführten Anschlußklemmen 23, 24, und die Heizwendel 19 ist einerseits mit der Anschlußklemme 24 verbunden und andererseits über die aus dem Keramikkörper 29 herausgeführte Anschlußfahne 26 an den elektronischen Schalter 20 in Fig. 1 anzuschließen.

Wie in Fig. 3 strichliniert dargestellt ist, kann innerhalb der Heizwendel 19 noch eine pyrotechnische Sprengkapsel 30 angeordnet sein, die durch Erhitzen gezündet wird. Die pyrotechnische Sprengkapsel 30 ist dabei so ausgelegt, daß sie bei Explosion die Trennwand 291 zwischen den Bohrungen 27, 28 und den in der Bohrung 27 verlaufenden Schmelzdraht 17 zuverlässig zerstört.

Claims (14)

1. Bürstenlose, elektronisch kommutierte Gleichstrommaschine, insbesondere Gleichstrommotor, mit einer mehrphasigen Statorwicklung (12) und in Reihe mit den Wicklungsphasen (13) der Statorwicklung (12) angeordneten, elektronischen Leistungsschaltern (15) und mit einer die Leistungsschalter (15) steuernden Steuereinheit (11), gekennzeichnet durch eine Fehlerschutzvorrichtung, die eine im Fehlerfall mittels eines elektrischen Heizstroms beheizte Schmelzsicherung (16) mit einem maschinenstromführenden Schmelzdraht (17) aufweist.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzdraht (17) der Schmelzsicherung (16) in einer am Pluspotential eines Gleichspannungsnetzes (10) anschließbaren Zuleitung (31) zur Statorwicklung (12) liegt.

3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizstrom für die elektrischen Beheizung über den Schmelzdraht (17) der Schmelzsicherung (16) geführt ist.

4. Maschine nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß zur elektrischen Beheizung sich längs des Schmelzdrahts (17) ein in wärmeleitender Verbindung mit diesem stehender Heizdraht (18) erstreckt.

5. Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizdraht (18) in Reihe mit einem im Fehlerfall schließenden elektronischen Schalter (20) liegt und diese Reihenschaltung der Statorwicklung (12) parallel geschaltet ist.

6. Maschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzdraht (17) in einem Keramikrohr (22) eingebettet und der Heizdraht (18) als Heizwendel (19) auf das Keramikrohr (22) aufgewickelt ist.

7. Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikrohr (22) mit aufgewickelter Heizwendel (19) von einem Schutzgehäuse (25) umschlossen ist.

8. Maschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzdraht (17) und der vorzugsweise als Heizwendel (19) ausgeführte Heizdraht (18) in dicht aneinanderliegenden Bohrungen (27, 28) in einem Keramikkörper (29) angeordnet sind.

9. Maschine nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß an oder nahe dem Schmelzdraht (17) eine durch Erhitzen zündbare, pyrotechnische Sprengkapsel (30) angeordnet ist, die mit dem Heizdraht (18) wärmeleitend verbunden ist.

10. Maschine nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprengkapsel (30) in der die Heizwendel (19) aufnehmenden Bohrung (28) des Keramikkörpers (29) angeordnet und so ausgelegt ist, daß sie zumindest die die Bohrungen (27, 28) trennende Trennwand (291) im Keramikkörper (29) und den Schmelzdraht (17) zu zerstören vermag.

11. Maschine nach einem der Ansprüche 5-10, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronischen Schalter (20) von der Steuereinheit (11) gesteuert ist.

12. Maschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erkennung des Fehlerfalls die Steuereinheit (11) jede Wicklungsphase (13) der Statorwicklung (12) auf Dauerstrom überwacht und bei Auftreten von Dauerstrom in einer der Wicklungsphasen (13) ein das Schließen des elektronischen Schalters (20) auslösendes Steuersignal generiert.

13. Maschine nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß im Fehlerfall die Steuereinheit (11) an alle Leistungsschalter (15) ein deren Schließen auslösendes Steuersignal legt.

14. Maschine nach einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgung für die Steuereinheit (11) zwischen Schmelzsicherung (16) und Statorwicklung (12) abgegriffen ist.