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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Begrenzung
des Motorstroms.
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Je
nach Anwendungsgebiet und Bauart sind heutige Elektromotoren ohne
Strombegrenzerschaltungen ausgeführt.
Dies ist beispielsweise bei heutigen elektronisch gesteuerten Scheibenwischermotoren
der Fall. Solche Elektromotoren sind vorzugsweise blockierfest ausgelegt,
d. h. dass selbst bei einem vollständigem Blockieren des Elektromotors
bei anliegender Spannung kein Strom durch den Elektromotor fließt, der
zu einer Zerstörung
führen
kann.
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Ein
solcher Elektromotor weist in der Regel eine Temperaturüberwachung
auf, um in einem Schwerlastfall und der daraus resultierenden Erwärmung des
Elektromotors eine Abschaltung des Elektromotors vornehmen zu können, wenn
eine Schwellentemperatur überschritten
wird. Die Temperaturüberwachung
wird beispielsweise mit Hilfe eines im Elektromotor vorgesehenen
Thermoschalters durchgeführt.
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Da
keine Strombegrenzung vorgesehen ist, können je nach anliegender mechanischer
Last Ströme
bis hin zu dem maximalen Blockierstrom, der bei vollständig blockiertem
Rotor fließt,
auftreten, da durch die Temperaturüberwachung der Motorstrom nicht
in seiner Höhe,
sondern nur in der Dauer, während
der dieser Strom durch den Elektromotor fließt, begrenzt wird.
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Der
maximal mögliche
Motorstrom (Blockierstrom) bestimmt sich in erster Linie durch den
Widerstand der Ankerwicklungen und ist aufgrund des verwendeten
Materials, vorwiegend Kupfer, temperaturabhängig. Kupfer ist ein Kaltleiter,
d. h. mit steigender Temperatur steigt auch der elektrische Widerstand von
Kupfer an. D. h. bei tiefen Temperaturen ist der elektrische Widerstand
der Ankerwicklung geringer. So stellt sich bei tiefen Temperaturen
der maximal mögliche
Motorstrom (im Blockierfall) ein, während bei hohen Temperaturen
der maximal mögliche Strom
geringer ist.
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Ein
derartiger Elektromotor muss daher so ausgelegt werden, dass er
einerseits im oberen Temperaturbereich seine Funktion erfüllen kann,
d. h. z. B. das entsprechende Drehmoment bereitstellen kann, und
andererseits muss das Gesamtsystem die bei tiefen Temperaturen auftretenden
höheren
Motorströme
verkraften können.
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Weiterhin
treten bei niedrigen Temperaturen aufgrund der höheren Ströme sehr hohe Drehmomente auf,
die unter Umständen
größer sind
als die von einem mit dem Motor verbundenen Getriebe zulässigen Drehmomente,
sodass bei niedrigen Temperaturen und bei Anliegen großer Last über das
Getriebe Schäden
durch ein zu hohes vom Motor abgegebenes Drehmoment auftreten können.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum
Betreiben eines Elektromotors sowie einen Elektromotor zur Verfügung zu
stellen, wobei der maximale Motorstrom begrenzt werden kann, ohne
dass z. B. eine aufwändige
Strombe grenzungsschaltung bzw. Drehmomentbegrenzungsschaltung und
dergleichen vorgesehen werden muss.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird durch das Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors
nach Anspruch 1 sowie durch das Motorsystem gemäß dem nebengeordneten Anspruch
gelöst.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem
ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines blockiersicheren
Elektromotors vorgesehen. Das Verfahren umfasst das Ermitteln einer
Angabe über
die Motortemperatur, sowie das Bereitstellen einer Ansteuerspannung
zum Betreiben des Elektromotors abhängig von der Angabe über die
Motortemperatur.
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Eine
Idee der Erfindung besteht darin, die an dem Elektromotor angelegte
Spannung abhängig von
der Motortemperatur anzupassen, d. h. zu steuern bzw. zu regeln,
sodass bei Verwendung eines Kaltleiters als Wicklungsmaterial für den Elektromotor
bei niedrigen Motortemperaturen eine geringere Spannung an den Elektromotor
angelegt wird als bei höheren
Temperaturen. Auf diese Weise kann der durch den Elektromotor fließende Motorstrom
durch die an den Motor angelegte Spannung begrenzt werden. Dadurch
kann die maximal mögliche
Stromaufnahme des Gesamtsystems begrenzt werden und die Belastung
des Stromversorgungsnetzes, d. h. im Falle eines Kraftfahrzeugs
des Bordnetzes, sinkt. Weiterhin können dadurch, dass die maximal
möglichen
Ströme
in dem Elektromotor reduziert werden, preisgünstigere Leistungsschalter
für die
Endstufe des Elektromo tors verwendet werden. Ein weiterer Vorteil
besteht darin, dass im Blockierfall die Motorentmagnetisierung reduziert
ist, da die Stärke
des durch den Blockierstrom erzeugten Magnetfeldes geringer ist
als ohne die Spannungsanpassung. Durch die Reduzierung des Drehmoments
bei niedriger Temperatur kann das Getriebe vor Überlast geschützt werden.
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Weiterhin
kann eine Spulenwicklung des Elektromotors ein Kaltleitermaterial
aufweisen, wobei die Ansteuerspannung erhöht wird, wenn die ermittelte
Motortemperatur ansteigt.
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Gemäß einer
Ausführungsform
kann die Ansteuerspannung so gewählt
werden, dass das Drehmoment konstant ist, d. h. der Strom durch
die Spulenwicklungen des Elektromotors wird bei einem bestimmten
Ansteuerzustand des Elektromotors (z. B. Volllast, Blockierfall
und dergleichen) über
die Ansteuerspannung des Elektromotors so gesteuert, dass der Strom
bei jeder Motortemperatur konstant ist. Insbesondere kann die Ansteuerspannung
abhängig
von der Motortemperatur geregelt oder gesteuert werden. Weiterhin
kann die Ansteuerspannung weiter abhängig von eine Stellgröße gesteuert oder
geregelt werden.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt ist ein Motorsystem, insbesondere für ein elektronisches
Scheibenwischersystem, vorgesehen. Das Motorsystem umfasst einen
Elektromotor, eine Temperaturerfassungseinheit zur Erfassung einer
Angabe über
die Motortemperatur und eine Ansteuereinheit zum Bereitstellen einer
Ansteuerspannung für
den Elektromotor, wobei die Ansteuereinheit ausgebildet ist, um die
Ansteuerspannung abhängig
von der Angabe über
die Motortemperatur zu erzeugen.
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Weiterhin
kann der Elektromotor eine Spulenwicklung mit einem Kaltleitermaterial
aufweisen, wobei die Ansteuereinheit aus gebildet ist, um bei einer
Erhöhung
der Motortemperatur die Ansteuerspannung zu erhöhen.
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Gemäß einer
Ausführungsform
kann der Elektromotor blockiersicher ausgelegt sein.
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Weiterhin
kann die Ansteuereinheit die Ansteuerspannung so einstellen, dass
das Drehmoment konstant ist.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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Bevorzugte
Ausführungsformen
werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
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Die
einzige Figur zeigt ein Blockschaltbild eines Motorsystems 1 gemäß einer
Ausführungsform der
Erfindung. Das Motorsystem 1 umfasst einen Elektromotor 2,
insbesondere einen DC-Elektromotor,
der mit Hilfe einer Endstufe 3 angesteuert und betrieben
werden kann. Die Endstufe 3 kann beispielsweise in Form
einer H-Brücke
ausgebildet sein, die die am Elektromotor 2 anliegende
Spannung durch ein Tastverhältnis
einer Taktung eines Ansteuersignals S in der Endstufe 3 bestimmt.
Das Ansteuersignal S wird der Endstufe 3 eingangsseitig
bereitgestellt. Das Ansteuersignal kann bei dieser Ausführungsform
als ein pulsweitenmoduliertes Signal ausgestaltet sein, dessen Tastverhältnis die
effektiv an dem Elektromotor 2 anzulegende Spannung U angibt.
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In
dem Elektromotor 2 ist ein Temperatursensor 4 vorgesehen,
der mit einer Ausleseeinheit 5 gekoppelt ist, sodass eine
in dem Elektromotor 2 herrschende Motortemperatur T auslesbar
ist und als Temperaturangabe bereitgestellt wird. Der Temperatursensor 4 kann
beispielsweise als Thermowiderstand oder dergleichen vorgesehen
sein. Die Ausleseeinheit 5 ermittelt in diesem Fall die
Temperaturangabe durch eine Widerstandsmessung des Temperatursensors.
Die Temperaturangabe kann in digitaler oder analoger Form, z. B.
in Form einer die Temperaturangabe repräsentierenden Spannung.
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Es
ist eine Anpassungseinheit 6 vorgesehen, die abhängig von
der Temperaturangabe, die von der Ausleseeinheit 5 empfangen
wird und abhängig
von einer ebenfalls bereitgestellten Versorgungsspannung V das Ansteuersignal
S für die
Endstufe 3 zur Verfügung
stellt, um eine entsprechende durch das Ansteuersignal S vorgegebene
Ansteuerspannung U an den Elektromotor 2 anzulegen.
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Alternativ
kann das Ansteuersignal S ein variabler Spannungspegel sein, mit
dem in der Endstufe 3 die an den Elektromotor 2 anzulegende
Ansteuerspannung U gesteuert wird. Allgemein ist die Anpassungseinheit 6,
die Endstufe 3 und der Elektromotor 2 so ausgebildet,
dass abhängig
von der Temperaturangabe T die an dem Elektromotor 2 anliegende
Spannung eingestellt wird.
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Handelt
es sich bei dem Elektromotor 2 um einen Elektromotor mit
Wicklungen aus einem Kaltleitermaterial, wie z. B. Kupfer, so steigt
der ohmsche Wicklungswiderstand mit steigender Temperatur an. Daher
gibt die Anpassungseinheit 6 ein Ansteuersignal an den
Elektromotor 2 aus, das die anzulegende Ansteuerspannung
U bei steigender Temperatur des Elektromotors 2 erhöht, so dass
der steigende Widerstand des Wicklungsmaterials ausgeglichen wird. Beispielsweise
kann die an dem Elektromotor 2 anzulegende Ansteuerspannung
U so mit steigender Temperatur erhöht werden, dass das maximale
von dem Elektromotor 2 abzugebende Drehmoment möglichst
konstant gehalten wird. Dies bedeutet, dass der in den Wicklungen
des Elektromotors fließende
Strom so eingestellt ist, dass er bei einem bestimmten gegebenen
Ansteuerzustand des Elektromotors für jede Temperatur gleich ist.
In diesem Fall kann z. B. die Anpassungseinheit 6 das Temperaturverhalten
des Kaltleiters im wesentlichen in Form einer Kennlinie des Kaltleiters
nachbilden. Die Kennlinie des Kaltleiters beschreibt die Abhängigkeit
des Widerstands über
der Temperatur, so dass die Anpassungseinheit 6 eine Zuordnung
der Temperaturangabe zu einem Anteilswert der anzulegenden Spannung
bezüglich
der maximalen Versorgungsspannung vornimmt.
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Die
Anpassungseinheit 6 kann als Regeleinheit oder als Steuereinheit
ausgebildet sein. Im Falle, dass die Anpassungseinheit 6 als
Steuereinheit ausgebildet ist, kann in der Anpassungseinheit 6 eine Lookup-Tabelle
oder eine Funktion hinterlegt sein, die abhängig von der bereitgestellten
Temperaturangabe die anliegende Versorgungsspannung mit einem Anteilswert
beaufschlagt (multipliziert), dessen maximaler Wert 1 beträgt. Dieser
Anteilswert kann z. B. durch das Tastverhältnis des Ansteuersignals S angegeben
sein.
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Weiterhin
kann die Anpassungseinheit 6 als Regeleinheit ausgebildet
sein, die neben einem Proportionalglied auch Integrationsglieder
oder Differenzierglieder umfasst, um auch das zeitliche Verhalten des
Temperaturverlaufs im Elektromotor 2 berücksichtigen
zu können.
Vorzugsweise stellt die Anpassungseinheit 6 die an dem
Elektromotor 2 anliegende Ansteuerspannung U so ein, dass
der maximale Motorstrom auf einen Maximalwert beschränkt ist.
D. h., der Motorstrom im Blockierfall des Motors ist auf einem bestimmten
von dem Ansteuersignal bestimmten Strom begrenzt. Dies hat den Vorteil,
dass preisgünstigere
Leistungsschalter zur Realisierung der End stufe 3 verwendet
werden können.
Weiterhin ist die Stärke
des im Blockierfall erzeugte Magnetfeld durch den aufgrund der angepassten
Motorspannung reduzierten Stroms verringert, so dass die Entmagnetisierung
von Permanentmagneten im Elektromotor reduziert werden kann.
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Wenn
die Anpassungseinheit 6 weiterhin eine Stellgröße von einem übergeordneten
Steuersystem erhält,
um den Elektromotor mit variablen Drehmoment/Drehzahl zu betreiben,
so kann diese Stellgröße mit der
sich aus der von der Ausleseeinheit 5 bereitgestellten
Temperaturangabe bestimmten Anteilgröße verrechnet werden, um eine
Ansteuergröße S zu
erhalten, die sowohl die Motortemperatur als auch die Stellgröße berücksichtigt.
Beispielsweise kann die Stellgröße mit einer
sich aus der Temperaturangabe gemäß einer Funktion ergebenden Anteilsgröße multipliziert
werden, um so ein Ansteuersignal S zu erhalten, mit dem die an den
Elektromotor 2 anzulegende Spannung aus der maximalen Versorgungsspannung
bestimmt wird.
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Die
oben beschriebene Anpassung der Ansteuerspannung U ist insbesondere
bei Elektromotoren sinnvoll, die nicht mit einer Stromsteuerung
bzw. -regelung versehen sind, und daher eine Begrenzung des maximalen
Stromflusses durch die Anpassung der angelegten Ansteuerspannung
U erfolgen muss.