DE102004037584A1 - Antriebseinheit - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit, umfassend eine Synchronmaschine, eine Impulszählereinheit zur Erfassung der Rotorposition während des laufenden Betriebs der Synchronmaschine und eine Steuereinheit, die derart ausgebildet ist, dass mit der Inbetriebnahme der Synchronmaschine die Ständerwicklung der Synchronmaschine derart bestromt wird, dass der Rotor sich entsprechend einer magnetischen Vorzugsrichtung parallel zur Richtung des durch die Bestromung erzeugten magnetischen Ständerfeldes ausrichtet. ferner wird die Impulszählereinheit auf einen definierten Startwert gesetzt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit mit einer elektrischen Synchronmaschine (insbesondere einem als Synchronmaschine ausgebildeten Kurbelwellen-Starter-Generator eines Kraftfahrzeugs), einer Impulszählereinheit zur Erfassung der Rotorposition während des laufenden Betriebs der Synchronmaschine und eine Steuereinheit zur Ansteuerung der Synchronmaschine. Unter Synchronmaschinen werden im Sinne der Erfindung alle elektrischen Maschinen verstanden, die aufgrund ihrer magnetischen Asymmetrie des Läufers (Rotors), im Hinblick auf den Ständer, bei erregter Ständerwicklung erzeugte Momente aufweisen und dadurch zumindest in Teilbetriebsbereichen eine zur Ständerfrequenz synchrone Läuferdrehzahl aufweisen. Insbesondere sind dies: permanentmagneterregte Synchronmotoren, elektrisch erregte Synchronmotoren, Reluktanzmotoren, Klauenpolmotoren und sogenannte Mischmotoren sowie entsprechende Generatortypen, die vorstehend genannte Motorprinzipien zumindest zum Teil in sich vereinen – beispielsweise auch mit dem asynchronen Maschinenprinzip eine Mischform bilden können.
  • Bei Hybrid-Kraftfahrzeugen werden Synchronmaschinen asynchroner (z.B. Kurzschlussläufer) und synchroner Bauart eingesetzt. Dabei zeichnen sich Asynchronmotoren dadurch aus, dass das Feld des Rotors durch den Magnetisierungsstrom vom Ständer ausgehend eingeprägt wird und deshalb die magnetische Orientierung des Rotors nicht sensorisch ermittelt werden muß. Bei Synchronmotoren ist eine magnetische Asymmetrie des Rotors konstruktionsbedingt vorgegeben. Es ist daher erforderlich, die Rotorlage eines Synchronmotors bei dessen Inbetriebnahme zu kennen. Hierfür kommen beispielsweise Systeme in Betracht, bei denen die genaue Rotorlage über sensorische Absolutwertlagegeber (z.B. sogenannte Resolver oder Hallgeber mit Sinus-/Cosinusauswertung) ermittelt wird. Eine derartige Sensorik ist zum einen aber sehr kostenintensiv und benötigt zum anderen einen erheblichen Bauraum. Bekannt sind ferner Verfahren mit sogenannter sensorloser Lageerkennung, bei denen für die Identifikation der Rotorlage die Wirkung der magnetischen Asymmetrie des Rotors mittels der daraus resultierenden elektrischen Wirkung in den Ständerwicklungen gemessen wird. Beide Verfahren setzen für die Rotorlageidentifikation während der Inbetriebnahme des Synchronmotors einen feststehenden Rotor voraus. Die Rotorlageidentifikation bei feststehendem Rotor ergibt sich dabei aus den Anwendungen industriell genutzter Antriebe, in welchen die Rotorwelle starr mit den Aktoren der Anwendung (z.B. Robotersysteme) verbunden ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebseinheit mit Synchronmaschine zu schaffen, die mit vereinfachten Mitteln eine jederzeit definierte Inbetriebnahme der Synchronmaschine gewährleistet.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Durch die gezielte Bestromung des Stators, durch die der Rotor veranlasst wird, sich entsprechend einer magnetischen Vorzugsrichtung auszurichten wird eine definierte Rotorlage erreicht. Um im nachfolgenden Betrieb der Synchronmaschine deren Rotorlage bestimmen zu können, wird die Impulszählereinheit (die den Winkel zwischen Rotor und Stator durch Inkremente abbildet) auf einen definierten Startwert gesetzt. Dabei ist Voraussetzung, dass der Inkrementalgeber (Impulszähler) zumindest die magnetische Periodizität der elektrischen Synchronmaschine abbildet. Von dieser definierten Rotorlage ausgehend kann der Betrieb (Versorgung der Ständerwicklungen mit Betriebsstrom zur Erzeugung eines magnetischen Drehfeldes für den kontinuierlichen Rotorantrieb) der Synchronmaschine mit stets gleichbleibendem Anlaufverhalten gewährleistet werden. Die magnetische Vorzugsrichtung des Rotors ist dabei diejenige, in der er derart ausgerichtet ist, dass sich für die Überlagerung von Stator- und Rotorfeld ein energetisches Minimum ergibt. Die Bestromung der Ständerwicklungen zur Ausrichtung des Rotors erfolgt vorzugsweise durch die Einprägung eines Gleichstroms oder eines Stromes kleiner Frequenz, wobei die Frequenz und die Amplitude derart bemessen sind, dass der Rotor trotz seiner Massenträgheit und der auf ihn einwirkenden äußeren Momente sicher in der Lage ist dem aufgrund der Frequenz eingeprägten Drehfeld zu folgen.
  • Im Folgenden wird die Erfindung stellvertretend für alle genannten Arten von elektrischen Maschinen am Beispiel eines Synchronmotors beschrieben. In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung ist der Synchronmotor mit Impulszähler und Steuereinheit lediglich eine Komponente eines Antriebsstranges für ein Hybrid-Kraftfahrzeug. Der Antriebsstrang umfasst ferner eine Brennkraftmaschine und eine Getriebeeinheit sowie zumindest eine Kupplung mittels der die Kraftübertragung zwischen Brennkraftmaschine und Getriebe unterbrochen werden kann. Vorzugsweise sind zwei Kupplungen vorhanden, wobei über die erste Kupplung die Kraftübertragung zwischen der Antriebswelle der Brennkraftmaschine und dem einen Ende der Antriebswelle des Synchronmotors unterbrochen werden kann und wobei über die zweite Kupplung die Kraftübertragung zwischen dem anderen Ende der Antriebswelle des Synchronmotors und der Eingangswelle der Getriebeeinheit unterbrochen werden kann. Brennkraftmaschine, Synchronmaschine und Getriebeeinheit sind demnach in Serie hintereinander im Antriebsstrang angeordnet und jeweils über eine, zwischen jeweils zwei der Komponenten angeordnete, Kupplung miteinander gekoppelt.
  • In einer alternativen Ausführung des Antriebsstranges kann der Synchronmotor mit seiner Antriebswelle auch parallel zur Eingangswelle der Getriebeeinheit angeordnet und an deren Eingangswelle über eine Zwischengetriebeeinheit mit integrierter Kupplung nur mit einem Antriebswellenende in den Antriebsstrang eingekoppelt sein. In diesem Fall ist eine kraftmäßige Entkopplung des Synchronmotors durch lediglich die Ansteuerung einer Kupplung möglich.
  • In einer möglichen Ausführung wird die mindestens eine Kupplung (je nach Ausführung – Synchronmotor in Serie oder parallel im Antriebsstrang angeordnet) bei Inbetriebnahme des Synchronmotors über die Steuereinheit derart angesteuert, dass der Synchronmotor quasi lastfrei geschaltet ist. Anschließend werden die Ständerwicklungen des Synchronmotors derart bestromt, dass der Rotor sich entsprechend einer magnetischen Vorzugsrichtung ausrichtet. Ferner wird die vorhandene Impulszählereinheit auf einen definierten Startwert (z.B. Startwert = 0) gesetzt. Bevorzugt erfolgt die Startwertsetzung der Impulszählereinheit zu einem Zeitpunkt, in dem der Rotor des Synchronmotors bereits gemäß seiner magnetischen Vorzugslage ausgerichtet ist. Ausgehend von dieser definierten Startposition erfolgt die Rotorlagebestimmung während des Betriebs des Synchronmotors durch die Impulszählung der Impulszählereinheit.
    •
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
  • 1a, 1b: in schematischer Darstellung den Antriebsstrang eines Hybrid-Kraftfahrzeugs umfassend eine Antriebseinheit gemäß der Erfindung, und
  • 2: ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung der Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Antriebseinheit.
  • Die 1a zeigt eine bevorzugte Ausführung der Erfindung, bei der die erfindungsgemäße Antriebseinheit in den Antriebsstrang eines Hybridfahrzeugs integriert ist. Der Antriebsstrang umfasst eine Brennkraftmaschine 2 mit einer Abtriebswelle 2a, eine Kupplung 4, die mit einem ersten Kupplungsteil 4a mit der Abtriebswelle 2a verbunden ist und die mit einem zweiten Kupplungsteil 4b mit der Antriebswelle 6a eines Synchronmotors 6 verbunden ist. Der Synchronmotor 6 (Ständer 6S, Rotor 6R) ist mit dem anderen Ende seiner Antriebswelle 6a über das erste Kupplungsteil 8a mit einer zweiten Kupplung 8 verbunden. Über das zweite Kupplungsteil 8b der zweiten Kupplung 8 ist der Synchronmotor 6 mit der Eingangswelle 10a einer Getriebeeinheit 10 verbunden.
  • 1b zeigt eine zweite mögliche Ausführungsform eines Antriebsstranges für ein Hybrid-Kraftfahrzeug, wobei die erfindungsgemäße Antriebseinheit mit der Rotorwelle 6a des Synchronmotors 6 parallel zur Getriebeeingangswelle 10a angeordnet und über lediglich eine Kupplung 8' kraftmäßig in den Antriebsstrang einkoppelbar ist.
  • Die Koordination der einzelnen Aggregate des Antriebsstranges erfolgt über eine übergeordnete und/oder mehrere gerätespezifische Steuereinheiten. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird hier, stellvertretend für andere Steuergerätekombinationen, nur eine einzige übergeordnete Steuereinheit 100 dargestellt.
  • Gemäß 2 wird die, durch die Steuereinheit 100 vorgegebene, Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Antriebseinheit in der bevorzugten Ausführung gemäß 1a, 1b durch ein Ablaufdiagramm veranschaulicht. Dabei wird in einem ersten Schritt S10 ein Inbetriebnahmewunsch für das Hybrid-Kraftfahrzeug, beispielsweise durch das Einstecken eines Zündschlüssels, erfasst. Anschließend wird in dem zweiten Schritt S20 abgefragt, ob eine definierte Rotorlage des Synchronmotors 6 vorliegt. Diese Abfrage erfolgt beispielsweise indem ein Speicher, in den aus dem vorangegangenen Betriebszyklus die aktuelle Rotorlage bei Betriebsende abgelegt wurde, ausgelesen wird. Liegt eine definierte Rotorlage bereits vor, kann zum letzten Schritt S100 zum Starten des Fahrzeugs verzweigt werden. Liegt keine definierte Rotorlage vor, wird in einem anschließenden Schritt S30 die Inbetriebsetzung des Fahrzeugs ausgesetzt, indem beispielsweise der Zündstromkreis unterbrochen wird. Es folgt in einem Schritt S35 die Reduzierung der auf die Rotorwelle wirkenden Brems- und Schleppmomente. Die Momentenreduzierung kann zum einen durch komplette Abkopplung der mit dem Synchronmotor über einzelne Kupplungen wirkverbundenen Aggregate erfolgen. Zum anderen ist eine Momentenreduzierung ebenfalls möglich, indem die angekoppelten Aggregate zumindest teilweise durch gezielte Ansteuerung in ihren bremsend auf die Rotorwelle wirkenden Momenten reduziert werden (z.B. durch Öffnung einzelner oder aller Gaswechselventile der angekoppelten Brennkraftmaschine). Auch eine Mischform der Momentenreduzierung ist vorstellbar in der manche Aggregate durch Öffnung von Kupplungen abgekoppelt und andere Aggregate durch gezielte Ansteuerung weniger bremsende Momente erzeugen. Daran anschließend erfolgt im Schritt S40 die Bestromung der Ständerwicklungen, die den Rotor veranlasst, sich in eine Rotorsolllage (magnetische Vorzugsrichtung) zu bewegen. Nach einer Wartezeit im Schritt S50, innerhalb der sich der Rotor in seine Solllage bewegt hat, wird die Rotorsolllage, die jetzt der Rotoristlage entspricht, in einem Speicher abgelegt (Schritt S60). Schließlich wird in einem Schritt S70 die Inbetriebsetzung des Fahrzeugs freigegeben (die Sperre aus Schritt S30 wird aufgehoben) und der Synchronmotor 6 bzw. das Fahrzeug gestartet (Schritt S100).
  • Nicht auf die bevorzugte Ausführungsform, in der die erfindungsgemäße Antriebseinheit in den Antriebsstrang eines Hybridfahrzeugs integriert ist, abgestellt, ist die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Antriebseinheit mit Synchronmotor, Impulszählereinheit und Steuereinheit wie folgt:
    Nach einem Startsignal (S10) zum Starten des Synchronmotors 6 wird abgefragt, ob die Rotorlage unbestimmt oder bestimmt ist (S20). Bei nicht bestimmter Rotorlage wird eine Antriebsbestromung zur Erzeugung eines Drehfeldes für den Antrieb des Rotors, der dem Drehfeld in einer kontinuierlichen Drehbewegung folgen soll, unterdrückt (S30), eine Reduzierung der auf die Rotorwelle bremsend wirkenden Momente vorgenommen (S35) und eine Bestromung der Ständerwicklungen derart initiiert (S40), dass der Rotor sich in eine definierte magnetische Vorzugslage bewegt. Erst nachdem der Rotor seine Solllage erreicht hat, was beispielsweise durch eine feste, entsprechend lange Wartezeit gewährleistet werden kann (S50), wird die Rotorsolllage (=Rotoristlage) in einem Speicher hinterlegt (angezeigt, z.B. durch Setzen eines flags) (S60) und die Antriebsbestromung zur Erzeugung eines Drehfeldes vorgenommen (S70, S100), so dass der Synchronmotor 6 in stets gleicher wiederholbarer Weise in seinem Anlaufverhalten in Betrieb genommen werden kann.

Claims (5)

  1. Antriebseinheit umfassend – eine Synchronmaschine (6), – eine Impulszählereinheit zur Erfassung der Rotorposition während des laufenden Betriebs der Synchronmaschine (6), – eine Steuereinheit (100) die derart ausgebildet ist, dass mit der Inbetriebnahme der Synchronmaschine (6) die Ständerwicklung der Synchronmaschine (6) derart bestromt wird, dass der Rotor (6R) sich entsprechend einer magnetischen Vorzugsrichtung parallel zur Richtung des durch die Bestromung erzeugten magnetischen Ständerfeldes ausrichtet und dass ferner die Impulszählereinheit auf einen definierten Startwert gesetzt wird.
  2. Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestromung der Ständerwicklung durch Einprägung eines Gleichstroms oder durch Einprägung eines Drehstroms mit einer Frequenz die derart bemessen ist, dass der Rotor (6R) trotz seiner Massenträgheit dem resultierenden Ständer-Wechselfeld folgen kann, erfolgt.
  3. Antriebseinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (100) derart ausgebildet ist, dass eine Reduzierung des auf die Antriebswelle (6a) der Synchronmaschine (6) wirkenden bremsenden Moments durch Öffnung einer Kupplung (8), über die die Synchronmaschine (6) an die Eingangswelle (10a) einer Getriebeeinheit (10) eines Kraftfahrzeugs koppelbar ist, erfolgt.
  4. Antriebseinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (100) derart ausgebildet ist, dass die Reduzierung des Bremsmomentes durch gezielte Ansteuerung zur Momentenreduzierung von mit dem Rotor (6R) wirkverbundenen und auf diesen bremsend wirkenden Aggregaten erfolgt, insbesondere durch Öffnung von Gassteuerventilen einer mit der Synchronmaschine (6) verbundenen Brennkraftmaschine (2) erfolgt.
  5. Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Antriebseinheit eine Brennkraftmaschine (2) und eine Getriebeeinheit (10) umfasst, – die Synchronmaschine (6) mit dem einen Ende ihrer Antriebswelle (6a) über eine Kupplung (4) mit der Brennkraftmaschine (2) gekoppelt ist und mit dem anderen Ende ihrer Antriebswelle (6a) über eine weitere Kupplung (8) mit der Getriebeeinheit (10) gekoppelt ist – und die Steuereinheit (100) derart ausgebildet ist, dass eine Reduzierung eines an der Antriebswelle (6a) der Synchronmaschine (6) angreifenden Bremsmomentes durch Öffnung von mindestens einer Kupplung (4; 8) und/oder durch Ansteuerung von mit der Antriebswelle (6a) der Synchronmaschine (6) gekoppelten Aggregaten zur Reduzierung eines an der Antriebswelle (6a) der Synchronmaschine (6) angreifenden Bremsmomentes ermöglicht wird.
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