DE102012012602A1

DE102012012602A1 - Bürstenlose Gleichstrommaschine und Verfahren zur Stromregelung derselben

Info

Publication number: DE102012012602A1
Application number: DE102012012602A
Authority: DE
Inventors: Dr. Schulze Bernd-Guido; Benjamin Sahan; Thomas Kirstein; Prof. Dr. Zacharias Peter; Milena Dias; Thiemo Kleeb; Hauke Einfeld
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2011-07-14
Filing date: 2012-06-23
Publication date: 2013-01-17
Also published as: DE102012012601A1

Abstract

Eine bürstenlose Gleichstrommaschine (GM) für ein Fahrzeug (10) umfasst mehrere Stränge (Sti), welche galvanisch von einander getrennt sind. Die Gleichstrommaschine (GM) ist ausgestaltet, um in einer ersten Betriebsart nicht gleichzeitig in jeden der Stränge (Sti) einen Strom (i) derselben Polarität einzuprägen, um dadurch ein von der Gleichstrommaschine (GM) abzugreifendes Drehmoment zu erzeugen. Darüber hinaus ist die Gleichstrommaschine (GM) ausgestaltet, um in einer zweiten Betriebsart gleichzeitig in jeden der Stränge (Sti) einen Strom (i) derselben Polarität einzuprägen, um dadurch von jedem der Stränge (Sti) jeweils ein Drehmoment zu erzeugen, welches in dieselbe Richtung wirkt. Gemäß einer Stromregelung einer bürstenlosen Gleichstrommaschine (GM) für ein Fahrzeug (10) wird abhängig von einer Solldrehzahl (ωref) der Gleichstrommaschine (GM), von einer aktuellen Drehzahl (ω) der Gleichstrommaschine (GM), von einem Kommutierungssignal (7), welches von einer Drehlage der Gleichstrommaschine (GM) abhängig ist, und von in allen Strängen (Sti) gemessenen Strömen (in) ein einziger Sollstrom (iref) bestimmt, auf welchen der Strom (in) in jedem Strang (Sti) geregelt wird, um die Solldrehzahl (ωref) zu erzielen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine bürstenlose Gleichstrommaschine sowie auf ein Verfahren, um den Stromfluss durch Stränge dieser Gleichstrommaschine zu regeln. Eine solche Gleichstrommaschine kann zum Antrieb des Fahrzeugs, aber auch als Hilfsantrieb, z. B. für eine Pumpe für Wasser oder Öl, eingesetzt werden.
Die DE 101 20 705 A1 betrifft eine Ansteuerung für eine Halbbrücke zum Betreiben eines Elektromotors, wobei diese Halbbrücke zwei elektronische Schalter umfasst.
Die DE 2005 062 659 B4 beschreibt eine Vorrichtung zum Betrieb eines bürstenlosen einsträngigen Motors an einer Wechselspannung, welche vier Schaltelemente mit zugeordneten Freilauf-Dioden umfasst, die in Vollbrückenschaltung miteinander verbunden sind.
Die KR102004066585A beschreibt eine Ansteuerschaltung eines SRM-Inverters.
In "Multi-Phase Fault Tolerant Brushless DC Motor Drives", T. Gopalarathnam u. a., Industry Appications Conference 2000, Seiten 1683–1688 wird ein bürstenloser mehrsträngiger Gleichstrommotor beschrieben, bei welchem allerdings im regulären Betrieb zu keinem Zeitpunkt alle Stränge gleichzeitig mit Strömen gleicher Polarität bestromt werden können.
In "Fault-tolerant permanent magnet machine drives", B. C. Mecrow u. a., IEE Proc.-Electr. Power Appl., Vol. 143, No. 6, November 1996, Seiten 437–442 wird eine permanentmagneterregte Synchronmaschine mit sinusförmigem Strom- und Spannungsverlauf offenbart.
In "Active Stator Variable Speed Drive: 120 kW DC-fed Demonstrator", M. Tomasini, 14TM International Power Electronics and Motion Control Conference, EPE-PEMC 2010, Seiten T5-20–T5-26 wird eine Gleichstrommaschine mit einem aktiven Stator (”Active Stator”) zum Einsatz für Schiffsantriebe und Windkraftwerke beschrieben.
Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine im Vergleich zum Stand der Technik kosten- und wirkungsgradoptimierte Gleichstrommaschine und eine entsprechende Ansteuerung dieser Gleichstrommaschine bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine bürstenlose Gleichstrommaschine nach Anspruch 1, durch ein Verfahren zur Stromregelung einer bürstenlosen Gleichstrommaschine nach Anspruch 8 und durch ein Fahrzeug nach Anspruch 12 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird eine bürstenlose Gleichstrommaschine für ein Fahrzeug bereitgestellt. Dabei umfasst die Gleichstrommaschine mehrere Stränge oder Phasen, wobei jeder Strang galvanisch von den anderen Strängen getrennt ist. Die bürstenlose Gleichstrommaschine kann auch als permanentmagneterregte Synchronmaschine oder als blockkommutierte Gleichstrommaschine angesehen oder bezeichnet werden, welche optional als Außenläufer ausgeführt sein kann. Die erfindungsgemäße Gleichstrommaschine ist ausgestaltet, um in jeden Strang (jeden der Stränge) einen rechteckförmigen Strom einzuprägen. Dabei wird unter einem rechteckförmigen Strom ein Strom verstanden, dessen vordere Flanke beim Einschalten des Stroms nahezu senkrecht ansteigt bzw. abfällt und dessen der vorderen Flanke nachfolgende hintere Flanke beim Abschalten des Stroms nahezu senkrecht abfällt bzw. ansteigt. Der Polaritätswechsel oder Richtungswechsel des Stroms erfolgt dabei in der Regel dadurch, dass der Strom (kurzfristig) abgeschaltet wird, so dass die hintere Flanke nahezu senkrecht abfällt, wenn die vordere Flanke ansteigend war, oder nahezu senkrecht ansteigt, wenn die vordere Flanke abfallend war. Zwischen dem periodischen erneuten Anschalten des Stromes kann ein kurzes Intervall vorliegen, in welchem der Strom konstant den Mittelwert zwischen Strommaximum und Stromminimum annimmt. Dieses Intervall kann aber extrem kurz (oder überhaupt nicht vorhanden) sein. Nach dem Richtungswechsel (oder Einschalten) verläuft der Strom bis zum nächsten Richtungswechsel (oder Abschalten) (nahezu) konstant. In einer bevorzugten ersten Betriebsart der Gleichstrommaschine werden derart rechteckige Ströme in jeden Strang eingeprägt, so dass zum selben Augenblick nicht in jedem Strang ein Strom derselben Polarität strömt. In dieser ersten Betriebsart wird von der Gleichstrommaschine ein abzugreifendes Drehmoment, beispielsweise zum Antrieb eines Fahrzeugs oder zum Antrieb einer Pumpe, erzeugt. Die erfindungsgemäße Gleichstrommaschine ist allerdings auch derart ausgestaltet, dass in einer zweiten Betriebsart gleichzeitig in jeden Strang ein Strom derselben Polarität eingeprägt wird, wobei dennoch in dieser zweiten Betriebsart von jedem Strang ein Drehmoment erzeugt wird, welches in dieselbe Richtung oder Drehrichtung wirkt.
Die erfindungsgemäße Gleichstrommaschine mit galvanisch getrennten Strängen ermöglicht ein sehr kompaktes und hoch effizientes Elektromaschinenkonzept. Durch die rechteckförmigen Strom-Spannungsverläufe ergibt sich vorteilhafterweise eine sehr hohe Leistungsdichte.
Die Gleichstrommaschine umfasst insbesondere einen Stator und einen Rotor. Dabei ist jeder Strang in Form einer Wellenwicklung entlang der Bewegungsrichtung des Rotors vollständig im Kreis um den Stator herum gewickelt. Jeder Strang ist vorteilhafterweise versetzt zu den anderen Strängen entlang der Bewegungsrichtung des Rotors angeordnet.
Jede Wellenwicklung ist wellenförmig in den Stator eingelegt. Eine Spule der Wellenwicklung liegt am Umfang des Rotors über der Länge eines Polpaares. Das Ende einer Spule endet am Anfang einer Spule des nächsten Polpaares. Nach einer bestimmten Anzahl von Spulen ist ein voller Umlauf des Stators vollzogen und die Wellenwicklung des Stators vollendet. Da die Stränge versetzt zueinander angeordnet sind, beginnt bzw. endet jeder Strang an einer anderen Stelle.
Aufgrund der Wellenwicklung, welche jeweils vollständig und genau n-mal (n ≥ 1) um den Stator (und nicht nur um einen Teil des Stators) herumgewickelt ist, ist es im Gegensatz zu anderen mehrsträngigen Gleichstrommaschinen möglich, mit der erfindungsgemäßen Gleichstrommaschine ein Drehmoment zu erzeugen, auch wenn in alle Stränge zur selben Zeit (gleichzeitig) ein Strom derselben Polarität eingeprägt wird.
Um jeder Wicklung den entsprechenden Strom einzuprägen, wird jeweils eine Schaltmatrix aus Leistungsschaltern eingesetzt, welche den Gleichstrom, der beispielsweise von einer Batterie bereitgestellt wird, in einen wechselförmigen Strom auf der Maschinen-Seite umformt und somit die einzelnen Phasen weiterschaltet bzw. den Strom verteilt. Die dazu notwendigen Umschaltsignale können beispielsweise durch Hallsensoren erzeugt werden, welche meist in die Nuten der Gleichstrommaschinen integriert sind.
Gemäß einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst die Gleichstrommaschine für jeden Strang jeweils eine H-Brücke, mit welcher der Strom in den jeweiligen Strang eingeprägt wird. Dabei existieren zwei Varianten für diese Ausführungsform. Gemäß der zweistufigen Variante existiert ein einziger Gleichspannungswandler, welcher jede H-Brücke mit der entsprechenden Gleichspannung versorgt. Gemäß der einstufigen Variante weist jede H-Brücke jeweils zwei niederfrequente Schalter und jeweils zwei hochfrequente Schalter auf, wobei die Schaltfrequenz der hochfrequenten Schalter größer als die Schaltfrequenz der niederfrequenten Schalter ist. Dabei kann ein niederfrequenter Schalter erfindungsgemäß auch als ein Kondensator realisiert sein.
Die einstufige Variante ist vorteilhafterweise mit einer modularen, redundanten Leistungselektronik zu realisieren. Dadurch kann die Gleichstrommaschine unter Umständen auch dann weiter betrieben werden, wenn ein Teilmotor bzw. Strang (oder eine H-Brücke) ausfällt.
Bei der einstufigen Variante kann jede H-Brücke derart ausgestaltet sein, dass während einer ersten halben Stromperiode desjenigen Stroms, welcher durch den jeweiligen Strang verläuft, der erste niederfrequente Schalter ständig geschlossen ist und der zweite niederfrequente Schalter ständig geöffnet ist. Dabei ist der erste hochfrequente Schalter periodisch abwechselnd geöffnet und geschlossen während der zweite hochfrequente Schalter entweder ständig offen ist oder im Wechsel (Gegentakt) mit dem ersten hochfrequenten Schalter geöffnet und geschlossen wird, so dass niemals beide hochfrequenten Schalter gleichzeitig geschlossen sind. In umgekehrter Weise ist während der zweiten halben Stromperiode, welche zusammen mit der ersten halben Stromperiode die gesamte Stromperiode darstellt, der erste niederfrequente Schalter ständig offen und der zweite niederfrequente Schalter ständig geschlossen. Bei dieser zweiten halben Stromperiode ist der zweite hochfrequente Schalter abwechselnd geöffnet und geschlossen während der erste hochfrequente Schalter entweder ständig geöffnet ist oder im Wechsel mit dem zweiten hochfrequenten Schalter geöffnet und geschlossen wird, so dass niemals beide hochfrequenten Schalter gleichzeitig geschlossen sind.
Die H-Brücke verbindet insbesondere ein hohes Spannungspotential wahlweise mit dem ersten oder zweiten Ende des jeweiligen Stranges und ein niedriges (im Vergleich zum hohen Spannungspotential) Spannungspotential wahlweise mit dem ersten oder dem zweiten Ende des jeweiligen Stranges. Dabei verbinden zwei der vier Schalter das hohe Spannungspotenzial mit dem ersten oder mit dem zweiten Ende des jeweiligen Stranges und die zwei anderen Schalter verbinden das niedrige Spannungspotenzial mit dem anderen Ende des jeweiligen Stranges. Dabei existieren folgende Varianten zur Aufteilung, welche der vier Schalter hochfrequent und welche niederfrequent sind:

• Der Schalter, welcher das hohe Spannungspotenzial mit dem ersten Ende des jeweiligen Stranges verbindet, und der Schalter, welcher das niedrige Spannungspotenzial mit dem ersten Ende des jeweiligen Stranges verbindet, sind hochfrequent. Der Schalter, welcher das hohe Spannungspotenzial mit dem zweiten Ende des jeweiligen Stranges verbindet, und der Schalter, welcher das niedrige Spannungspotenzial mit dem zweiten Ende des jeweiligen Stranges verbindet, sind niederfrequent.
• Der Schalter, welcher das hohe Spannungspotenzial mit dem ersten Ende des jeweiligen Stranges verbindet, und der Schalter, welcher das niedrige Spannungspotenzial mit dem ersten Ende des jeweiligen Stranges verbindet, sind niederfrequent. Der Schalter, welcher das hohe Spannungspotenzial mit dem zweiten Ende des jeweiligen Stranges verbindet, und der Schalter, welcher das niedrige Spannungspotenzial mit dem zweiten Ende des jeweiligen Stranges verbindet, sind hochfrequent.
• Der Schalter, welcher das hohe Spannungspotenzial mit dem ersten Ende des jeweiligen Stranges verbindet, und der Schalter, welcher das hohe Spannungspotenzial mit dem zweiten Ende des jeweiligen Stranges verbindet, sind hochfrequent. Der Schalter, welcher das niedrige Spannungspotenzial mit dem ersten Ende des jeweiligen Stranges verbindet, und der Schalter, welcher das niedrige Spannungspotenzial mit dem zweiten Ende des jeweiligen Stranges verbindet, sind niederfrequent.
• Der Schalter, welcher das hohe Spannungspotenzial mit dem ersten Ende des jeweiligen Stranges verbindet, und der Schalter, welcher das hohe Spannungspotenzial mit dem zweiten Ende des jeweiligen Stranges verbindet, sind hochfrequent. Der Schalter, welcher das niedrige Spannungspotenzial mit dem ersten Ende des jeweiligen Stranges verbindet, und der Schalter, welcher das niedrige Spannungspotenzial mit dem zweiten Ende des jeweiligen Stranges verbindet, sind niederfrequent.

Der entsprechende hochfrequente Schalter, welcher periodisch geöffnet und geschlossen wird, moduliert die bereitgestellte Spannung in der entsprechenden Halbwelle wie ein Tiefsetzsteller oder Abwärtswandler.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform können die hochfrequenten Schalter auf geringe Schaltverluste ausgelegt werden, während die niederfrequenten Schalter auf geringe Durchlassverluste optimiert werden können. Als niederfrequente Schalter können z. B. IGBTs mit externer schneller Freilaufdiode (z. B. Silizium-Karbid Schottky Diode) zum Einsatz kommen. Beispielsweise können als hochfrequente Schalter oder schnelle Schalter MOSFETs, insbesondere CoolMOS (”Hochvolt-Super Junction MOSFET” z. B. von Infineon mit einer Sperrspannung von mehr als 100 V (z. B. 650 V)), eingesetzt werden. Diese Transistoren weisen in der Regel sehr schlechte Body-Dioden auf, was allerdings aufgrund des Pulsmusters keine Rolle spielt, da der Freilauf im Wesentlichen über die Freilauf-Dioden der niederfrequenten Schalter erfolgt. Durch den Einsatz dieser Transistoren als hochfrequente Schalter kann der Schaltverlust um den Faktor 2–3 gegenüber normalen Transistoren gesenkt werden.
Darüber hinaus können als die niederfrequenten Schalter Thyristoren eingesetzt werden, welche ebenfalls vergleichsweise geringe Durchlassverluste aufweisen.
Wenn die niederfrequenten und die hochfrequenten Schalter jeweils durch MOSFETs realisiert sind, kann zumindest einer der Transistoren einer H-Brücke als P-Kanal-Transistor (insbesondere PMOS-Transistor) realisiert werden, wenn mit dem jeweiligen Transistor oder Schalter das vergleichsweise hohe Spannungspotenzial geschaltet wird. Dagegen sollten die Transistoren, mit welchen das vergleichsweise niedrige Spannungspotenzial geschaltet wird, jeweils als N-Kanal-Transistor (insbesondere NMOS-Transistor) realisiert werden.
Durch den Einsatz von P-Kanal-Transistoren kann die korrekte Versorgung der Steuereingänge (Gates bei PMOS-Transistoren) beim Schalten der hohen Spannungspotenziale immer gewährleistet werden, da diese Steuereingänge mit dem niedrigen Spannungspotenzial geschaltet werden können.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch ein Verfahren zur Stromregelung einer bürstenlosen Gleichstrommaschine für ein Fahrzeug bereitgestellt. Dabei umfasst die Gleichstrommaschine, bei welcher es sich insbesondere um die vorab beschriebene erfindungsgemäße Gleichstrommaschine handelt, mehrere Stränge, welche galvanisch voneinander getrennt sind. Abhängig von einer Solldrehzahl der Gleichstrommaschine, von einer aktuellen Drehzahl der Gleichstrommaschine, von einem Kommutierungssignal der Gleichstrommaschine und von den jeweiligen Strömen, welche in den jeweiligen Strängen gemessen werden, wird ein einziger Sollstrom (insbesondere die Größe bzw. Höhe des Sollstroms) bestimmt, auf welchen der Strom in jedem Strang geregelt wird, um die vorgegebene Solldrehzahl zu erreichen.
In dem nur ein einziger Sollstrom für alle Stränge bestimmt wird, kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Stromregelung im Vergleich zu einem Verfahren, bei welchem für jeden Strang ein anderer Sollstrom zu bestimmen ist, vergleichsweise einfach realisiert werden.
Die Stromregelung in jedem Strang kann dabei in Abhängigkeit von reinen Gleichstromgrößen erfolgen, so dass die erfindungsgemäße Regelung einer konventionellen Gleichstrommaschine ähnelt, wobei insbesondere keine Koordinatentransformation benötigt wird. Unter einer reinen Gleichstromgröße wird dabei beispielsweise ein Absolutwert (ohne Phasenbeziehung) verstanden. Mit anderen Worten erfolgt die Stromregelung mit reinen Gleichstromgrößen, während jeweils die H-Brücke synchron zu den Kommutierungssignalen bzw. Hallsignalen für das Umschalten der Polarität sorgt.
Darüber hinaus kann vorteilhafterweise eine Vorsteuerung eingeführt werden, mit welcher die Wirkung der Gegenspannung kompensiert wird. Die Vorsteuerung kann beispielsweise durch eine Messung der Drehzahl der Gleichstrommaschine ermittelt werden, da die Drehzahl proportional zur Amplitude der Gegenspannung ist. Die Drehzahl wiederum lässt sich durch Hallsonden bestimmen, welche in vorbestimmten Abständen über den Umfang der Gleichstrommaschine verteilt sind.
Durch die Einführung der Vorsteuerung muss der eigentliche Regler nur noch das Kleinsignal stellen, um die vorgegebene Solldrehzahl zu erreichen.
Schließlich wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Fahrzeug bereitgestellt, welches eine erfindungsgemäße Gleichstrommaschine umfasst.
Die vorliegende Erfindung kann unter anderem zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs (auch Zweirads) eingesetzt werden. Allerdings ist die vorliegende Erfindung nicht auf diesen bevorzugten Anwendungsbereich eingeschränkt, da die vorliegende Erfindung auch zum Antrieb von Schiffen, Flugzeugen oder gleisgebundenen sowie spurgeführten Fahrzeugen einsetzbar ist. Darüber hinaus kann die vorliegende Erfindung auch für Gleichstrommaschinen eingesetzt werden, welche nicht zum Antrieb eines Fortbewegungsmittels verwendet werden.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter erfindungsgemäßer Ausführungsformen mit Bezug zu den Figuren im Detail beschrieben.
In 1 ist ein erfindungsgemäßer trapezförmiger Strom-Spannungsverlauf gegenüber einem sinusförmigen Strom-Spannungsverlauf dargestellt.
2 stellt die Wellenwicklung eines Strangs dar.
In 3 ist ein Strom-Feldverlauf über den Umfang der Gleichstrommaschine dargestellt.
4 zeigt die zweistufige Variante der Einprägung eines Stroms mit H-Brücken.
5 zeigt die einstufige Variante der Einprägung eines Stroms mit H-Brücken.
In 6 ist eine H-Brücke der einstufigen Variante im Detail dargestellt.
In 7 ist ein prinzipielles erfindungsgemäßes Pulsmuster einer H-Brücke dargestellt.
8 stellt eine erfindungsgemäße Strom- und Drehzahlregelungsstruktur dar.
In 9 ist eine H-Brücke mit Transistoren vom Typ IGBT dargestellt.
In 10 ist eine H-Brücke mit einer Mischbestückung von Transistoren des Typs IGBT und des Typs MOSFET dargestellt.
In 11 ist eine H-Brücke mit einer Mischbestückung von Transistoren des Typs MOSFET (oder IGBT) und Thyristoren sowie Dioden dargestellt.
In 12 sind H-Brücken dargestellt, wobei bestimmte Schalter als P-Kanal-Transistoren ausgeführt sind.
In 13 ist eine H-Brücke als Halbbrücke dargestellt.
In 14 ist eine H-Brücke als Halbbrücke mit Nullpunktschalter dargestellt.
In 15 ist ein erfindungsgemäßes Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Gleichstrommaschine dargestellt.
In 1a ist der Strom-Spannungsverlauf einer herkömmlichen Synchronmaschine dargestellt, während in 1b der rechteckförmige Strom-Spannungsverlauf einer erfindungsgemäßen Gleichstrommaschine dargestellt ist. Aufgrund des Rechteckverlaufs von Strom i und Spannung u bietet die Gleichstrommaschine im Vergleich zur Drehstrom-Synchronmaschine eine wesentlich bessere Ausnutzung und somit eine höhere Leistungsdichte. Rein rechnerisch ergibt sich bei konstanter maximaler Flussdichte (proportional zum maximalen Strom) bei der Gleichstrommaschine im Vergleich zur Synchronmaschine eine doppelt so hohe Ausnutzung. Dadurch kann die erfindungsgemäße Gleichstrommaschine wesentlich kompakter gebaut werden oder benötigt zur Erzeugung derselben Leistung weniger Material, was insbesondere bei den Magneten, welche Seltene Erden umfassen, vorteilhaft ist.
2a zeigt die Wellenwicklung 3 eines Stranges entlang eines Stators 2 (siehe 2b) der Gleichstrommaschine. Man erkennt, dass die Wellenwicklung 3 eines Strangs aus mehreren parallel verlaufenden Leitungen besteht.
In 2b sind der Rotor 1 und der Stator 2 in einem Zustand abgebildet, dass die Lage der magnetischen Nordpole N des Rotors 1 der Lage der magnetischen Südpole S des Stators 2 entspricht. Darüber hinaus sind in 2b die Nuten des Stators 2 von 1–8, 1'–8' usw. durchnummeriert. Die Wellenwicklung des ersten Stranges tritt bei der Nut 1 hervor und tritt bei der Nut 1' wieder hinein, um bei der Nut 1'' wieder hervorzutreten. Anders ausgedrückt verläuft die Wellenwicklung des ersten Stranges zwischen der Nut 1 und der Nut 1' vom Betrachter her gesehen oberhalb des Stators 2 und von der Nut 1' bis zu der Nut 1'' innerhalb des Stators 2. Die Wellenwicklung des zweiten (dritten, vierten, ...) Stranges tritt bei der Nut 2 (3, 4, ...) hervor und tritt bei der Nut 2' (3', 4', ...) wieder hinein, usw.. Mit anderen Worten sind zwei benachbarte Stränge um jeweils den Abstand zweier benachbarter Nuten voneinander versetzt. Bei der in 2 dargestellten Gleichstrommaschine existieren demnach acht verschiedene Stränge, welche jeweils galvanisch voneinander getrennt sind.
Mit anderen Worten sind bei der in 2b dargestellten Gleichstrommaschine acht separate Wicklungen wellenförmig nacheinander oder nebeneinander angeordnet; so dass die acht Stränge gleichzeitig bestromt werden können. Durch die Bestromung der Stränge wird nach dem Prinzip der Gleichstrommaschine eine Kraft auf die Magnete des Rotors 1 ausgeübt, was zu einem Drehmoment oder einer Drehbewegung führt. Dabei gilt, dass die Ausnutzung der Gleichstrommaschine umso höher ist, je mehr Stränge über den Umfang des Rotors (oder Stators) gleichzeitig bestromt werden können,
In 3 ist der Strom-Feldverlauf über den Umfang einer erfindungsgemäßen Gleichstrommaschine dargestellt. Im Gegensatz zu der in 2b dargestellten Gleichstrommaschine weist die in 3 dargestellte Gleichstrommaschine sechs verschiedene, galvanisch getrennte Stränge St₁ bis St₆ auf.
Während der in einen Strang eingeprägte Strom i rechteckförmige verläuft, weist der zugehörige Feldverlauf B keinen rechteckförmigen Verlauf auf. Man erkennt bei einem Vergleich der 1 und 3, dass der in einen Strang eingeprägte Strom i gemäß 3 nach dem Abschalten des Stroms i ein kurzes Zeitinterval abgeschaltet bleibt, bis er mit der jeweils anderen Polarität wieder eingeschaltet wird. Mit anderen Worten existiert bei der in 3 dargestellten Ausführungsform jeweils ein Strang, in den kein Strom i eingeprägt wird.
In 4 ist eine zweistufige Variante der erfindungsgemäßen Gleichstrommaschine GM dargestellt. Mit einem globalen Gleichstromwandler 5 wird jede H-Brücke 6 versorgt. Dabei existiert für jeden Strang zur Regelung des Stroms, welcher in den jeweiligen Strang eingeprägt wird, jeweils eine H-Brücke 6.
Dagegen ist in 5 eine einstufige Variante der erfindungsgemäßen Gleichstrommaschine GM dargestellt. Bei dieser einstufigen Variante wird der Strom oder die Spannung allein durch die jeweilige H-Brücke 6 in den jeweiligen Strang eingeprägt, ohne dass dazu ein globaler Gleichstromwandler 5 wie bei der zweistufigen Varianten notwendig ist.
In 6a ist die Grundstruktur einer H-Brücke 6 der einstufigen Variante dargestellt. Die die Gleichstrommaschine GM versorgende Gleichspannung liegt an einem ersten Schaltungseingangspunkt a und einem zweiten Schaltungseingangspunkt b, d. h. parallel zu der Kapazität C, an. Die Wellenwicklung des Stranges, dessen Strom mittels der dargestellten H-Brücke geregelt wird, ist an einem ersten Schaltungsausgangspunkt c und einem zweiten Schaltungsausgangspunkt d angeschlossen, so dass ein Ende des Stranges mit dem ersten Schaltungsausgangspunkt c und das andere Ende des Stranges mit dem zweiten Schaltungsausgangspunkt d verbunden ist.
Ein prinzipielles Pulsmuster der vier Schalter S1–S4 der in 6a dargestellten H-Brücke 6 ist in 7 dargestellt. Man erkennt in 7, dass die Schaltfrequenz der Schalter S2 und S4 niedrig ist, während die Schaltfrequenz der Schalter S1 und S3 hoch ist. Daher handelt es sich bei den Schalter S2 und S4 um niederfrequente Schalter und bei den Schaltern S1 und S3 um hochfrequente Schalter. Der erste niederfrequente Schalter S4 verbindet den zweiten Schaltungseingangspunkt b mit dem zweiten Schaltungsausgangspunkt d, während der zweite niederfrequente Schalter S2 den zweiten Schaltungseingangspunkt b mit dem ersten Schaltungsausgangspunkt c verbindet. Darüber hinaus verbindet der erste hochfrequente Schalter S1 den ersten Schaltungseingangspunkt a mit dem ersten Schaltungsausgangspunkt c, während der zweite hochfrequente Schalter S3 den ersten Schaltungseingangspunkt a mit dem zweiten Schaltungsausgangspunkt d verbindet.
Die erste halbe Stromperiode wird von der in 6 dargestellten H-Brücke in den zugehörigen Strang eingeprägt, indem der erste niederfrequente Schalter S4 über die Dauer der ersten halben Stromperiode geschlossen und der erste hochfrequente Schalter S1 periodisch geöffnet und geschlossen wird. Die anderen Schalter S2, S3 sind während der ersten Stromperiode beide geöffnet. Das entsprechende Modulationsprinzip ist in 6b dargestellt. In ähnlicher Weise wird der Strom während der zweiten halben Stromperiode in den jeweiligen Strang eingeprägt, indem der zweite niederfrequente Schalter S2 über die Dauer der zweiten halben Stromperiode geschlossen und der zweite hochfrequente Schalter S3 periodisch geöffnet und geschlossen wird. Die beiden anderen Schalter S1 und S4 sind während der gesamten zweiten halben Stromperiode geöffnet. Das entsprechende Modulationsprinzip ist in 6c dargestellt.
Die H-Brücke 6 moduliert den einzuprägenden Strom in jeder Halbwelle (halben Stromperiode) durch den jeweils arbeitenden hochfrequenten Schalter S1 bzw. S3 wie ein Tiefsetzsteller oder Abwärtswandler. Dadurch ergeben sich folgende Vorteile gegenüber der nach dem Stand der Technik eingesetzten bipolaren Taktung, nach welcher alle vier Schalter hochfrequent arbeiten:

• Die niederfrequenten Schalter S2 und S4 die hochfrequenten Schalter S1 und S3 können getrennt voneinander optimiert werden, so dass beispielsweise die niederfrequenten Schalter S2 und S4 für niedrige Durchlassverluste und die hochfrequenten Schalter S1 und S3 für geringe Schaltverluste optimiert werden können.
• Dadurch können die Schaltverluste um ca. 50% reduziert werden.
• Das erfindungsgemäße Konzept weist eine geringe Stromwelligkeit aufgrund des geringen Spannungshubs auf. was vorteilhafterweise zu geringeren Eisenverlusten in der Gleichstrommaschine führt.

Der Strom wird durch die jeweilige H-Brücke 6 durch ein Pulsverfahren geformt (siehe 7) und kann sehr schnell direkt von einer Batterie (nicht dargestellt), welche die entsprechende Gleichspannung an den Schaltungseingangspunkten a und b bereitstellt, in die Stränge der Gleichstrommaschine GM eingeprägt werden. Die Anstiegsgeschwindigkeit des Stroms ist dabei faktisch nur durch die Induktivitäten des Stators 2 und durch Bedingungen, welche zur Einhaltung der elektromagnetischen Verträglichkeit zu berücksichtigen sind, begrenzt. Damit werden erfindungsgemäß zum einen die Verluste minimiert und zum anderen sind der Strom und damit die angestrebte Drehzahl der Gleichstrommaschine GM sehr gut regelbar. Vorteilhaft ist auch der im Vergleich zur Standard-B6-Topologie geringere elektromagnetische Störpegel, da die Gleichtaktspannungssprünge mit den einzelnen, nicht verketteten Phasenspannungen zusammenhängen. Auch die erforderliche Chipfläche für die H-Brücken 6 erhöht sich dabei im Vergleich zur Standard-B6-Topologie nicht, da die H-Brücken 6 parallel zueinander geschaltet sind.
Wie bereits oben beschrieben ist, stellt 7 ein mögliches Pulsmuster für die in 6 dargestellte Konstellation einer H-Brücke 6 dar. In den folgenden 9 bis 12 sind weitere H-Brücken mit jeweils vier Schaltern S1 bis S4 dargestellt. Dabei sind jeweils die hochfrequenten (schnellen) Schalter mit den Bezugszeichen S1 und S3 und die niederfrequenten (langsamen) Schalter mit den Bezugszeichen S2 und S4 bezeichnet. Allerdings befinden sich die schnellen bzw. langsamen Schalter nicht immer an denselben Stellen innerhalb der H-Brücke 6.
Vorteilhafterweise erlaubt die erfindungsgemäße Gleichstrommaschine den Einsatz einer Stromregelung, wie sie in 8 dargestellt ist. Zur Regelung des Stromes wird dazu über eine Rotorlageerfassung 14, welche die Lage des Rotors 1 zum Stator 2 beispielsweise durch Hall-Sensoren 4 erfasst, ein Kommutierungssignal 7 erzeugt. Das Kommutierungssignal 7 ist somit ein Signal, welches angibt, wann der Stromfluss des jeweiligen Stranges St_i umzupolen ist, wann also von der positiven Halbwelle zur negativen Halbwelle und umgekehrt zu schalten ist. Die aktuelle mechanische Drehzahl ω der Gleichstrommaschine wird mit einem Drehzahlmesser 12 erfasst. Abhängig von dem Kommutierungssignal 7, von der aktuellen Drehzahl ω und von einer vorgegebenen Solldrehzahl ω_ref wird ein Sollstrom i_ref bestimmt, welcher zur Regelung des jeweiligen Stroms i_j, der in den jeweiligen Strang St_j einzuprägen ist, verwendet wird. Dieser Sollstrom i_ref wird dabei über einen Drehzahlregler 13 abhängig von einer Differenz aus der Solldrehzahl und der aktuellen Drehzahl berechnet. Bei dem Drehzahlregler 13 handelt es sich um einen Algorithmus zur Einstellung der Drehzahl auf die vorgegebene Solldrehzahl ω_ref der Gleichstrommaschine, wobei der Drehzahlregler 13 den Sollstrom i_ref ausgibt.
Für jeden Strang St_j wird der in den Strang eingeprägte Strom i_j mittels eines Strommessers 17 erfasst, und mit Hilfe eines Absolutwerterzeugers 18 der Absolutwert dieses Stroms erzeugt. Der Strommesser 17 misst demnach den im jeweiligen Maschinenstrang St_j fließenden Strom i_j. Eine Differenz aus dem Stromsollwert i_ref und dem ermittelten Absolutwert wird einem Stromregler 15 zugeführt, dessen Ausgabe dann mit Hilfe einer Leistungselektronik 16 zur Stromeinprägung des Stroms eingesetzt wird, wobei dieser Leistungselektronik 16 zusätzlich das Kommutierungssignal 7 zugeführt wird. Bei der Leistungselektronik 16 handelt es sich um eine leistungselektronische Topologie zur Stromeinprägung des jeweiligen Strangstroms i_j in die Gleichstrommaschine.
Damit dieser Stromregler 15 nur das Kleinsignal einstellen oder regeln muss, wird vorteilhafterweise die Ausgabe des Stromreglers 15 mit einem Signal EMK (entspricht der elektromotorischen Kraft, welche im Maschinenstrang induziert wird) addiert, welches über ein vorbestimmtes Maschinenmodell 11 aus der aktuellen Drehzahl ω ermittelt wird. Die Berücksichtigung des Signals EMK stellt eine Vorsteuerung dar, welche die Wirkung der so genannten Gegenspannung kompensiert.
Während die Steuerungsvorrichtungen wie der Strommesser 17, die Leistungselektronik 16, der Stromregler 15 und der Absolutwerterzeuger 18 der Anzahl der Stränge St_i entsprechend oft ausgeführt sind, existieren die restlichen Steuervorrichtungen, wie das Maschinenmodell 11, der Drehzahlregler 13, die Rotorlagererfassung 14 und der Drehzahlmesser 12 jeweils nur einmal.
In 9 ist eine H-Brücke dargestellt, bei welcher jeder Schalter S1 bis S4 als IGBT ausgebildet ist. Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform wird der in den jeweiligen Strang St_i einzuprägende Strom i durch jeweils eine H-Brücke 6, wie sie in 9 dargestellt ist, gesteuert.
Unter einem IGBT (”Insulated-Gate Bipolar Transistor”) wird dabei ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode verstanden, wobei es sich bei jedem IGBT in 9 um einen N-Kanal-IGBT vom selbstsperrenden Typ handelt. Bei der jeweils vom Emitter zum Kollektor eingezeichneten Diode 21 handelt es sich um die so genannte Freilaufdiode.
Vorteilhafterweise können für hochfrequente Schalter S1 und S3 anstelle der Bipolartransistoren auch MOSFETs, insbesondere MOSFETs vom Typ CoolMOS (siehe oben), eingesetzt werden. Diese weisen zwar in der Regel sehr schlechte Body-Dioden auf, welche bei einer konventionellen Taktung aktiv wären. Bei der erfindungsgemäßen H-Brücke 6 können die negativen Effekte dieser Body-Diode jedoch vermieden werden, da der Freilauf entweder über den IGBT S2 und die Body-Diode des IGBT S4 oder aber über den IGBT S4 und die Freilaufdiode des IGBT S2 erfolgt. Durch den Einsatz der CoolMOS lassen sich die Schaltverluste einer H-Brücke, wie sie in 10 dargestellt ist, gegenüber einer H-Brücke, wie sie in 9 dargestellt ist, um den Faktor 2–3 senken.
Als weitere erfindungsgemäße Variante ist es möglich, für die niederfrequenten Schalter S2 und S4 Thyristoren einzusetzen, wie es bei den in 11 dargestellten H-Brücken der Fall ist. Dabei existieren zwei Varianten. Entweder werden für die schnellen Schalter S1 und S3 MOSFETs (insbesondere vom Typ CoolMOS) oder IGBTs eingesetzt. Damit existiert eine erfindungsgemäße Variante, bei welcher für jede H-Brücke 6 für die langsamen Schalter S2 und S4 Thyristoren und für die schnellen Schalter S1 und S3 MOSFETs vom Typ CoolMOS eingesetzt werden, und eine weitere erfindungsgemäße Variante, bei welcher für jede H-Brücke 6 für die langsamen Schalter S2 und S4 wiederum Thyristoren und für die schnellen Schalter S1 und S3 IGBTs eingesetzt werden.
Für kleinere Spannungen (unter 100 V) bietet sich allerdings der Einsatz von MOSFETs für alle vier Schalter S1 bis S4 jeder H-Brücke 6 an, wie dies in 12 dargestellt ist.
Dabei ergibt sich allerdings ein Problem bei der Versorgung des Steuereingangs, wenn es sich bei einem niederfrequenten Schalter S2, mit welchem das hohe Spannungspotenzial der Spannungsversorgung, welches am ersten Schaltungseingang a anliegt, geschaltet wird, um einen MOSFET vom N-Kanal-Typ handelt. Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, den niederfrequenten Schalter S2, mit welchem das hohe Spannungspotenzial geschaltet wird, als P-Kanal-Transistor auszuführen, wie es in 12a dargestellt ist.
Dies ist davon unabhängig, ob der niederfrequente Schalter S2, mit welchem das hohe Spannungspotenzial geschaltet wird, zur Versorgung des ersten Schaltungsausgangspunkts c oder des zweiten Schaltungsausgangspunkts d, wie es in 12a dargestellt ist, eingesetzt wird. Daher ist es vorteilhaft, wenn der niederfrequente Schalter S2, welcher die Versorgung des hohen Spannungspotenzials bezüglich des ersten Schaltungsausgangspunkts c steuert, als P-Kanal-Transistor ausgeführt wird, wie es in 12b dargestellt ist. Erfindungsgemäß ist es auch möglich, dass beide Transistoren, welche mit dem ersten Schaltungseingangspunkt a verbunden sind, um das hohe Spannungspotenzial zu schalten, als P-Kanal-Transistoren ausgeführt sind, wie es in 12c dargestellt ist.
Die Ausführung der Transistoren, welche mit dem hohen Spannungspotenzial verbunden sind, als P-Kanal-Transistoren weist den Vorteil auf, dass diese Transistoren mit dem niedrigen Spannungspotenzial am Steuereingang sicher durchgeschaltet werden können.
Erfindungsgemäß ist es auch möglich die H-Brücke mit nur zwei Schaltern S1, S3 auszuführen, wie es in den 13 und 14 dargestellt ist. Dabei übernehmen die Kondensatoren C1 und C2 die Rolle der niederfrequenten Schalter S2 und S4. Im Unterschied zu der in 13 dargestellten H-Brücke 6 weist die in 14 dargestellte H-Brücke einen Nullpunktschalter 9 auf, welcher den ersten Schaltungsausgangspunkt c mit einem Schaltungspunkt verbindet, welcher zwischen den beiden Kondensatoren C1 und C2 liegt und somit direkten Kontakt zu beiden Kondensatoren C1, C2 aufweist.
Schließlich ist in 15 ein erfindungsgemäßes Fahrzeug 10 dargestellt, welches zum Antrieb des Fahrzeugs 10 eine erfindungsgemäße Gleichstrommaschine GM aufweist.
Die vorliegende Erfindung bietet vorteilhafterweise die Möglichkeit zur Miniaturisierung, wodurch die Schaltelektronik (insbesondere die H-Brücken 6) an der jeweiligen Wicklung oder zumindest in der Nähe davon angeordnet sein kann. Durch diesen ortsnahen Anbau der Schaltelektronik kann trotz der sehr hohen Frequenz der Schalter S1 bis S4 die Induktivität der Zuleitung zwischen der Leistungselektronik bzw. Schaltelektronik und dem zu schaltenden Strang gering gehalten werden. Falls die erfindungsgemäße Gleichstrommaschine eine Kühlung (zum Beispiel eine Wasserkühlung) umfasst, kann diese Kühlung vorteilhafterweise auch zum Kühlen der Leistungselektronik verwendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10120705 A1 [0002]
DE 2005062659 B4 [0003]
KR 102004066585 A [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

”Multi-Phase Fault Tolerant Brushless DC Motor Drives”, T. Gopalarathnam u. a., Industry Appications Conference 2000, Seiten 1683–1688 [0005]
”Fault-tolerant permanent magnet machine drives”, B. C. Mecrow u. a., IEE Proc.-Electr. Power Appl., Vol. 143, No. 6, November 1996, Seiten 437–442 [0006]
”Active Stator Variable Speed Drive: 120 kW DC-fed Demonstrator”, M. Tomasini, 14TM International Power Electronics and Motion Control Conference, EPE-PEMC 2010, Seiten T5-20–T5-26 [0007]

Claims

Bürstenlose Gleichstrommaschine für ein Fahrzeug (10), wobei die Gleichstrommaschine (GM) mehrere Stränge (St_i) umfasst, welche galvanisch voneinander getrennt sind, wobei die Gleichstrommaschine (GM) ausgestaltet ist, um in einer ersten Betriebsart nicht gleichzeitig in jeden der Stränge (St_i) einen Strom (i) derselben Polarität einzuprägen, um dadurch ein von der Gleichstrommaschine (GM) abzugreifendes Drehmoment zu erzeugen, und wobei die Gleichstrommaschine (GM) ausgestaltet ist, um in einer zweiten Betriebsart gleichzeitig in jeden der Stränge (St_i) einen Strom (i) derselben Polarität einzuprägen, um dadurch von jedem der Stränge (St_i) jeweils ein Drehmoment zu erzeugen, welches in dieselbe Richtung wirkt.
Gleichstrommaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichstrommaschine (GM) einen Stator (2) und einen Rotor (1) umfasst, dass jeder der Stränge (St_i) in Form einer Wellenwicklung entlang der Bewegungsrichtung des Rotors (1) vollständig im Kreis um den Stator (2) herumgewickelt ist, und dass die Stränge (St_i) jeweils versetzt entlang der Bewegungsrichtung des Rotors (1) zueinander angeordnet sind.
Gleichstrommaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichstrommaschine (GM) für jeden der Stränge (St_i) jeweils eine H-Brücke (6) umfasst, um den Strom (i) des jeweiligen Strangs (St_i) einzuprägen, und dass jede H-Brücke (6) zwei niederfrequente Schalter (S2, S4) und zwei hochfrequente Schalter (S1, S3) umfasst, wobei eine Schaltfrequenz der niederfrequenten Schalter (S2, S4) niedriger als eine Schallfrequenz der hochfrequenten Schalter (S1, S3) ist.
Gleichstrommaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede H-Brücke (6) derart ausgestaltet ist, dass während einer ersten halben Stromperiode des Stromes (i) durch den jeweiligen Strang (St_i) ein erster der niederfrequenten Schalter (S4) ständig geschlossen ist, ein zweiter der niederfrequenten Schalter (S2) ständig offen ist, ein erster der hochfrequenten Schalter (S1) abwechselnd geöffnet und geschlossen wird und ein zweiter der hochfrequenten Schalter (S3) entweder ständig offen ist oder im Gegentakt zu dem ersten der hochfrequenten Schalter geöffnet und geschlossen wird, und dass während einer zweiten halben Stromperiode des Stromes (i) der erste der niederfrequenten Schalter (S4) ständig offen ist, der zweite der niederfrequenten Schalter ständig geschlossen (S2) ist, der zweite der hochfrequenten Schalter (S3) abwechselnd geöffnet und geschlossen wird und der erste der hochfrequenten Schalter (S1) entweder ständig offen ist oder im Gegentakt zu dem zweiten der hochfrequenten Schalter geöffnet und geschlossen wird.
Gleichstrommaschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die hochfrequenten Schalter (S1, S3) im Vergleich zu den niederfrequenten Schaltern (S2, S4) derart ausgestaltet sind, dass die hochfrequenten Schalter (S1, S3) geringere Schaltverluste aufweisen.
Gleichstrommaschine nach einem der Ansprüche 3–5, dadurch gekennzeichnet, dass die niederfrequenten Schalter (S2, S4) im Vergleich zu den hochfrequenten Schaltern (S1, S3) derart ausgestaltet sind, dass die niederfrequenten Schalter (S2, S4) geringere Durchlassverluste aufweisen.
Gleichstrommaschine nach einem der Ansprüche 3–6, dadurch gekennzeichnet, dass jede H-Brücke ausgestaltet ist, um entweder ein niedriges Spannungspotential oder ein hohes Spannungspotential mit dem jeweiligen Strang zu verbinden, dass jeder der niederfrequenten Schalter (S2, S4) und jeder der hochfrequenten Schalter (S1, S3) durch jeweils einen Transistor realisiert sind, dass zumindest einer der Transistoren, welche das hohe Spannungspotential schalten, ein PMOS-Transistor ist, und dass zumindest einer der Transistoren, welche das niedrige Spannungspotential schalten, ein NMOS-Transistor ist.
Verfahren zur Stromregelung einer bürstenlosen Gleichstrommaschine (GM) für ein Fahrzeug (10), wobei die Gleichstrommaschine (GM) mehrere Stränge (St_i) umfasst, welche galvanisch voneinander getrennt sind, wobei abhängig von einer Solldrehzahl (ω_ref) der Gleichstrommaschine (GM), von einer aktuellen Drehzahl (ω) der Gleichstrommaschine (GM), von einem Kommutierungssignal (7), welches von einer Drehlage der Gleichstrommaschine (GM) abhängig ist, und von in allen Strängen (St_i) gemessenen Strömen (i_n) ein einziger Sollstrom (i_ref) bestimmt wird, auf welchen der Strom (i_n) in jedem Strang (St_i) geregelt wird, um die Solldrehzahl (ω_ref) zu erzielen.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom (i_n) in jedem Strang (St_i) abhängig von Gleichstromgrößen geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorsteuerung (EMK) eingesetzt wird, um die Wirkung einer Gegenspannung der Gleichstrommaschine (GM) zu kompensieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8–10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Durchführung mit einer Gleichstrommaschine (GM) nach einem der Ansprüche 1–7 ausgestaltet ist.
Fahrzeug mit einer Gleichstrommaschine (GM) nach einem der Ansprüche 1–7.