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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft Gleichstrommaschinen, insbesondere Gleichstrommaschinen für Gebläseanwendungen, insbesondere in einem Motorsystem eines Kraftfahrzeugs.
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Stand der Technik
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Gleichstrommotoren werden beispielsweise als Gebläseantriebe für Anwendungen der Motorkühlung oder der Klimaanlage verwendet. Zur Einstellung der Leistung können die Gleichstrommotoren durch ein Steuergerät in Stufen oder stufenlos verstellt werden.
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Die Gebläseantriebe werden auf mögliche Fehlerfälle überwacht, wie beispielsweise ein Blockieren oder eine Schwergängigkeit, um eine Überhitzung des Gleichstrommotors oder des Steuergeräts und eine daraus resultierende Beschädigung oder Zerstörung des Gleichstrommotors, des Steuergeräts oder benachbarter Bauteile zu vermeiden. Ein Fehler kann durch kontinuierliches Überwachen eines Motorstroms des Gebläseantriebs auf Abweichungen von einem Sollwertbereich festgestellt werden. Dies ist möglich, da blockierte oder schwergängige Gleichstrom-Gebläseantriebe bezüglich ihrer Drehzahl eine deutlich höhere Stromaufnahme aufweisen als im Normalbetrieb.
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Bei der Stromüberwachung sind jedoch neben einem beträchtlichen schaltungstechnischen Aufwand auch erhebliche Messtoleranzen zu berücksichtigen. Dadurch ist es notwendig, den Bereich des zulässigen Motorstroms des Gebläseantriebs für jeden Anwendungsfall zu applizieren. Insbesondere hängt die Erkennung einer Schwergängigkeit mithilfe der Stromüberwachung auch von der aktuellen Drehzahl der elektrischen Maschine ab.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, für eine Gleichstrommaschine eine möglichst einfache Überwachung vorzusehen, mit der ein Blockieren oder eine Schwergängigkeit der Gleichstrommaschine festgestellt werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch die Gleichstrommaschine, insbesondere zur Verwendung als Gebläseantrieb, gemäß Anspruch 1 sowie durch das Verfahren zum Überwachen einer Gleichstrommaschine, das Motorsystem, das Computerprogramm und das Computerprogrammprodukt gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Gleichstrommotor, insbesondere als Antrieb für ein Gebläse, vorgesehen. Der Gleichstrommotor umfasst:
- – einen Stator mit mehreren Polen zum Bereitstellen eines Statormagnetfelds;
- – einen Rotor mit Rotorspulen, um ein Rotormagnetfeld zu erzeugen, das mit dem Statormagnetfeld zum Antreiben des Rotors wechselwirkt;
- – eine Detektionsspule, die im Bereich der Pole des Stators angeordnet ist, um eine durch das Rotormagnetfeld induzierte Spannung als Detektionsspannung bereitzustellen.
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Bei dem obigen Gleichstrommotor ist vorgesehen, einen Drehzahlsensor vorzusehen, bei dem eine Sensorspule an einem Pol des Stators bzw. zwischen zwei Polen des Stators der Gleichstrommaschine angeordnet ist. In der Sensorspule wird ein von einem drehenden Läufer ausgehendes, sich veränderndes Magnetfeld detektiert und es wird ein Spannungssignal generiert, das hinsichtlich der Drehzahl des Läufers ausgewertet werden kann. Die Anordnung der Sensorspule zwischen den Polen bzw. an einem Pol des Stators der Gleichstrommaschine ermöglicht eine kompakte Anordnung der Sensorspule, so dass ein zusätzlicher Aufwand zum Vorsehen von anderen Komponenten zur Drehzahlerfassung, wie beispielsweise von Ringmagneten, Magnetfeldsensoren oder dergleichen, nicht erforderlich ist.
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Weiterhin kann die Detektionsspule zwischen zwei Polen des Stators angeordnet sein. Insbesondere kann eine Wicklungsebene der Detektionsspule quer zu einer Anordnungsrichtung der Pole des Stators liegen oder es kann alternativ eine Wicklungsebene der Detektionsspule parallel zu einer Anordnungsrichtung der Pole des Stators liegen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Detektionsspule um einen Pol des Stators gewickelt sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Motorsystem vorgesehen. Das Motorsystem umfasst den obigen Gleichstrommotor und eine Steuereinheit zum Ansteuern des Gleichstrommotors, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, das Detektionssignal von dem Gleichstrommotor zu empfangen und eine Periodizität zu detektieren, um eine Drehzahlangabe über eine Drehzahl des Gleichstrommotors von dem Detektionssignal abzuleiten.
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Weiterhin kann die Steuereinheit ausgebildet sein, um eine Motorstromangabe über einen durch die Rotorspule fließenden Motorstrom zu ermitteln und um eine Überwachung auf Schwergängigkeit und/oder Blockierung durchzuführen, indem die Drehzahlangabe bezüglich der Motorstromangabe plausibilisiert wird.
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Insbesondere kann das Überwachen anhand einer Referenzfunktion durchgeführt werden, wobei die Referenzfunktion mindestens einen Bereich für Wertepaare aus der Drehzahlangabe und der Motorstromangabe angibt, in dem ein ordnungsgemäßer Betrieb des Gleichstrommotors vorliegt.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Steuereinheit ausgebildet ist, um die Motorstromangabe durch Erfassen einer Amplitude des Detektionssignals zu erhalten. Somit kann der Motorstrom zum einen direkt über eine Messung an den Motoranschlüssen, über die Läuferspulen des Gleichstrommotors bestromt werden, oder zum anderen indirekt über die Sensorspule des obigen Gleichstrommotors ermittelt werden. Dazu können Signalamplituden, die von dem durch den Läufer in der Detektionsspule erzeugten Magnetfeld generiert werden, erfasst und ausgewertet werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Überwachen des obigen Gleichstrommotors auf Schwergängigkeit und/oder Blockierung vorgesehen, mit folgenden Schritten:
- – Empfangen des Detektionssignals von dem Gleichstrommotor;
- – Detektieren einer Periodizität aus dem Detektionssignal, um eine Drehzahlangabe über eine Drehzahl des Gleichstrommotors zu erhalten;
- – Detektieren einer Amplitude des Detektionssignals, um eine Motorstromangabe über einen Motorstrom des Gleichstrommotors zu erhalten; und
- – Erkennen, ob eine Schwergängigkeit und/oder Blockierung vorliegt, abhängig von der Drehzahlangabe und der Motorstromangabe.
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Das obige Verfahren zum Überwachen einer Gleichstrommaschine zum Erkennen einer Blockierung und/oder einer Schwergängigkeit sieht vor, dass ein Motorstrom überwacht und in Bezug auf die aktuelle Drehzahl ausgewertet wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln vorgesehen, um alle Schritte des obigen Verfahrens durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit ausgeführt wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Computerprogrammprodukt vorgesehen, das einen Programmcode enthält, der auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist und der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinrichtung ausgeführt wird, das obige Verfahren durchführt.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Motorsystems;
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2 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Gleichstrommotors;
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3 eine schematische Darstellung einer Möglichkeit der Anordnung einer Sensorspule zwischen zwei Polen eines Stators einer Gleichstrommaschine;
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4 eine schematische Darstellung einer weiteren Möglichkeit der Anordnung einer Sensorspule zwischen zwei Polen eines Stators einer Gleichstrommaschine; und
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5 eine schematische Darstellung einer Anordnung einer Sensorspule um einen Pol eines Stators einer Gleichstrommaschine.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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In 1 ist eine schematische Darstellung eines Motorsystems 1 dargestellt. Das Motorsystem 1 kann beispielsweise für einen Gebläseantrieb oder dergleichen eingesetzt werden. Das Motorsystem 1 umfasst einen Gleichstrommotor 2, der von einer Steuereinheit 3 mithilfe einer Treiberschaltung 4 betrieben wird.
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Die Treiberschaltung 4 kann beispielsweise als ein Tiefsetzsteller ausgebildet sein und wird beispielsweise mithilfe eines oder mehrerer pulsweitenmodulierter Steuersignale durch die Steuereinheit 3 angesteuert. Das pulsweitenmodulierte Steuersignal wird in der Steuereinheit 3 generiert, um den Gleichstrommotor 2 gemäß einer externen Vorgabe V anzusteuern und weist ein von der externen Vorgabe abhängiges Tastverhältnis auf. Das pulsweitenmodulierte Steuersignal bewirkt in der Treiberschaltung 4, dass eine Versorgungsspannung zyklisch an den Gleichstrommotor angelegt und von diesem getrennt wird, so dass sich an den Anschlüssen des Gleichstrommotors 2 proportional zum Tastverhältnis eine effektive Motorspannung einstellt. Alternativ kann die Treiberschaltung auch ein oder mehrere Relais und Vorwiderstände umfassen, um schaltbar den Gleichstrommotor 2 über einen der Vorwiderstände zu bestromen.
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Die Steuereinheit 3 überwacht weiterhin den Betrieb des Gleichstrommotors 2 und überprüft insbesondere, ob eine Schwergängigkeit oder eine Blockierung des Gleichstrommotors 2 vorliegt. Dazu kann vorgesehen sein, dass die Steuereinheit 3 von der Treiberschaltung 4 eine Information über die Stromaufnahme des Gleichstrommotors 2 und weiterhin direkt von dem Gleichstrommotor 2 eine Angabe über die Drehzahl des Gleichstrommotors 2 erhält. Eine Blockierung oder Schwergängigkeit des Gleichstrommotors 2 wird erkannt, wenn sich bei einer bestimmten Drehzahl eine zu hohe Stromaufnahme einstellt. Dies kann beispielsweise durch Auslesen einer Soll-Stromaufnahme, die bei einer bestimmten Drehzahl zu erwarten ist, aus einer Referenztabelle oder einer entsprechenden Referenzfunktion und einen anschließenden Vergleich der tatsächlichen Stromaufnahme mit der aus der Referenztabelle erhaltenen Soll-Stromaufnahme durchgeführt werden.
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Die Angabe über die Drehzahl des Gleichstrommotors 2 wird im vorliegenden Fall durch einen Sensor 5 erfasst. Dazu weist der Gleichstrommotor 2 eine Detektionsspule auf, die im Inneren des Gleichstrommotors 2 angeordnet ist.
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Gleichstrommotoren weisen üblicherweise einen Aufbau auf, wie er in der Querschnittsansicht der 2 dargestellt ist. Der Gleichstrommotor 2 weist einen Stator 21 mit magnetischen Polen 22 auf, im vorliegenden Ausführungsbeispiel vier Pole, wobei die Polarität jeweils benachbarter Pole zueinander entgegengesetzt ist. In anderen Ausführungsformen sind auch Statoren 21 mit mehr als vier Polen denkbar.
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Von den Polen 22 des Stators 21 aus erstreckt sich ein Magnetfeld ins Innere des Gleichstrommotors 2. Das von dem Stator 21 generierte Magnetfeld wird von in dem Stator 21 eingebetteten oder an diesem angebrachten Permanentmagneten erzeugt. Im vorliegenden Fall sind die Pole 22 von Permanentmagneten gebildet.
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Die Pole 22 des Stators 21 definieren bzw. umgeben eine Innenausnehmung 23, in der ein Rotor 24 drehbar angeordnet ist. Der Rotor 24 ist mit Rotorspulen 25 versehen, die um Anker 26 des Rotors 24 angeordnet sind. Der dargestellte Rotor 24 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel vier Anker 26 auf, jedoch ist die Anzahl der Anker 26 nicht auf vier beschränkt. Die Rotorspulen 26 werden über einen axial zu den Rotorspulen 25 versetzt angeordneten Kommutator (nicht gezeigt) mit elektrischer Energie versorgt.
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Zur Detektion der Drehzahl des Gleichstrommotors 2 ist nun gemäß einer Ausführungsform zwischen den Polen 22 des Stators 21 eine Detektionsspule 10 angeordnet. Wie in der 3, die einen Ausschnitt aus dem Stator 21 des Gleichstrommotors 2 der 2 zeigt, detaillierter dargestellt ist, ist die Detektionsspule 10 zwischen zwei benachbarten Polen 22 des Stators 21 angeordnet. Die Detektionsspule 10 weist eine Wicklungsebene auf, die quer zur Umfangsrichtung der Anordnung der Pole 22 verläuft.
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In einer alternativen Ausführungsform, die in 4 dargestellt ist, ist die Querschnittsebene der Detektionsspule 10 zwischen den Polen 22 des Stators 21 in radialer Richtung ausgerichtet.
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In der Ausführungsform der 5 ist die Detektionsspule 10 um einen Pol 22 des Stators 21 gewickelt. Ist der Pol 22 wie oben beschrieben durch einen Permanentmagneten ausgebildet, so umgibt die Detektionsspule 10 den Permanentmagneten.
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Beim Betrieb des Gleichstrommotors 2 wird durch den rotierenden Rotor 24 ein sich veränderndes Magnetfeld erzeugt, das einen entsprechenden Spannungsverlauf in der Detektionsspule 10 induziert. Das durch die Detektionsspule 10 generierte Spannungssignal kann als Detektionssignal durch die Steuereinheit 3 erfasst und ausgewertet werden. Die Steuereinheit 3 kann ein geeignetes Verfahren ausführen, um aus einer Periodizität des Detektionssignals eine Drehzahl des Rotors 24 abzuleiten. Die Periodizität des Detektionssignals kann beispielsweise mittels der Durchführung einer Fourier-Analyse oder einer Fast-Fourier-Transformation erkannt werden.
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Wie oben beschrieben, kann dann die ermittelte Drehzahl zur Plausibilisierung der Stromaufnahme verwendet werden, um eine Schwergängigkeit oder eine Blockierung des Rotors 24 des Gleichstrommotors 2 zu erkennen. Grundsätzlich hängt die Signalamplitude der durch die Drehung des Rotors 24 induzierten Detektionsspannung sowohl von der Drehzahl als auch von der Stärke des durch den Rotor 24 bewirkten magnetischen Felds ab. Weiterhin hängt die Stärke des von dem Rotor 24 erzeugten Magnetfelds direkt vom Motorstrom ab, so dass es grundsätzlich möglich ist, anstelle einer Erfassung des Motorstroms über die Treiberschaltung 4 auch eine Erfassung des Motorstroms mithilfe der Detektionsspule 10 vorzunehmen. In diesem Fall kann die Detektionsspule 10 sowohl für die Erfassung des Motorstroms als auch für die Erfassung der Motordrehzahl verwendet werden, so dass eine Schwergängigkeitserkennung bzw. Blockierungserkennung auch lediglich basierend auf einer Auswertung des Detektionssignals mit der Detektionsspule 10 durchgeführt werden kann.
