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Die Erfindung beschreibt einen bürstenlosen Elektromotor, mit einem Rotor, einem Stator und einer Ansteuerschaltung.
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Elektromotoren die beispielsweise in einem Automobil als Stell- oder Positionierantrieb verwendet werden, unterliegen je nach Einbauort unterschiedlichen Anforderungen, insbesondere in Bezug auf den Temperaturbereich. Für Elektromotoren, die im Motorraum eingebaut sind, beispielsweise zur Steuerung der Luftklappen oder zur Leuchtweitenregulierung der Scheinwerfer, müssen beispielsweise für einen Temperaturbereich von –40°C bis +125°C ausgelegt sein. Für Elektromotoren, die im Fahrzeuginneren eingebaut sind, etwa zur Sitzverstellung oder Servolenkung, ist beispielsweise ein Temperaturbereich von –10°C bis 85°C vorgeschrieben. Für andere Anwendungen existieren ebenfalls solche Temperaturanforderungen, beispielsweise für Stellmotoren, die im Freien oder in Industrieanlagen eingebaut werden.
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Damit der Elektromotor und eventuell ein nachgeschaltetes Getriebe über den gesamten Temperaturbereich die geforderte Spezifikation erfüllt, ist mitunter ein sehr hoher konstruktiver Aufwand notwendig. Darüber hinaus müssen die verwendeten Materialien und eventuell die Schmierstoffe über den gesamten Temperaturbereich die geforderte Belastung aushalten. Dadurch wird der Elektromotor teurer und ist nur vergleichsweise aufwändig herstellbar.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Elektromotor zu schaffen, der in einem vergleichsweise weiten Temperaturbereich einsetzbar ist und der kostengünstiger herstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Elektromotor mit den Merkmalen des Anspruch 1 in Verbindung mit dem Verfahren nach Anspruch 4 gelöst.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass ein Elektromotor in den meisten Anwendungen, insbesondere jedoch im Automobil, praktisch nie oder nur selten und/oder nur für kurze Zeit im Bereich der Temperaturbereichs-Maximalwerte betrieben wird. Dennoch muss der Elektromotor bzw. ein mit dem Elektromotor betriebener Antrieb für den vollen Temperaturbereich (Gesamt-Temperaturbereich) spezifiziert sein, um überhaupt für diese Anwendung zugelassen zu werden.
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Der erfindungsgemäße Elektromotor bzw. ein mit dem Elektromotor betriebener Antrieb ist für den Dauerbetrieb lediglich in einem kleineren Kerntemperaturbereich als der Gesamt-Temperaturbereich ausgelegt, bei dem die obere Grenztemperatur kleiner und die untere Grenztemperatur größer ist, d.h. der Gesamt-Temperaturbereich umfasst den Kerntemperaturbereich.
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Der erfindungsgemäße Elektromotor weist nun Mittel zum Bestimmen der Umgebungstemperatur und zur Begrenzung des Ausgangsdrehmoments auf ein festgelegtes Drehmomentmaximum und somit auf maximale mechanische Belastung begrenzen. Dieses Drehmomentmaximum entspricht vorzugsweise der Spezifikation im Kerntemperaturbereich.
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Liegt die Umgebungstemperatur in einem Kaltbereich unterhalb des Kerntemperaturbereichs, so wird beispielsweise das Schmiermittel zähflüssiger und ein angetriebener Aktuator ist somit aufgrund höherer Reibung schwergängiger. Damit trotz höherer Reibung das gleich Nutzdrehmoment am Abtrieb zur Verfügung steht, wird in diesem Kaltbereich erfindungsgemäß das Drehmomentmaximum des Motors über die Spezifikation im Kerntemperaturbereich hinaus erhöht. Dies ist möglich, da durch die tiefere Temperatur eine bessere Kühlung der Statorwicklungen und der Leistungselektronik der Ansteuerschaltung besteht. Der Elektromotor kann daher zumindest kurzzeitig oberhalb seiner Spezifikation betrieben werden, ohne Schaden zu nehmen. Bei Stellmotoren, die jeweils ohnehin nur kurzzeitig betrieben werden, reicht eine solche kurze Zeit bereits aus, um beispielsweise einen Stellvorgang durchzuführen. Der Motor kann dadurch ohne weiteres unterhalb seines Kerntemperaturbereichs betrieben werden.
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Bei Umgebungstemperaturen, die in einem Warmbereich über dem Kerntemperaturbereich liegen, wird beispielsweise Schmiermittel dünnflüssiger, so dass sich ein Aktuator einfacher bewegen lässt. Gleichzeitig besteht durch die Temperatur bereits eine hohe Belastung des Materials, etwa eines Getriebes mit Kunststoffzahnrädern, und der Leistungselektronik, so dass hier zum Schutz der Bauteile das Drehmomentmaximum auf einen Wert unterhalb der Spezifikation im Kerntemperaturbereich erniedrigt wird.
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Durch die Erfindung ist es somit möglich, den Temperaturbereich eines Elektromotors über den spezifizierten Kerntemperaturbereich hinaus zu erweitern, ohne dass konstruktive Änderungen am Elektromotor oder an der Motorelektronik notwendig sind. Der Elektromotor kann daher für einen kleineren Kerntemperaturbereich ausgelegt und spezifiziert werden als gefordert. Der Elektromotor und ein eventuell vorhandenes Getriebe kann dadurch kleiner und kostengünstiger dimensioniert werden.
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Der erfindungsgemäße bürstenlose Elektromotor kann ein- oder mehrphasig, insbesondere dreiphasig ausgebildet sein.
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Im oben genannten Beispiel des Automobils könnte beispielsweise ein Elektromotor, der für den Innenbereich spezifiziert ist, durch die erfindungsgemäße Anpassung der Motorsteuerung unter Umständen auch im Motorraum verwendet werden. Der erfindungsgemäße Elektromotor bzw. ein mit dem Elektromotor betriebener Antrieb ist daher insgesamt kostengünstiger.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist der maximale Motorstrom, der beim Blockieren des Motors auftritt, zusätzlich durch ein Blocklimit in der Motorsteuerung begrenzt. Dieses Blocklimit wird entsprechend dem Drehmomentmaximum angepasst, so dass bei niedrigeren Temperaturen das Blocklimit erhöht wird und bei höheren Temperaturen erniedrigt wird. Das Blocklimit muss dabei jeweils soweit geändert werden, dass das geänderte Drehmomentmaximum auch erreicht werden kann.
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Die erfindungsgemäße Anpassung des Drehmomentmaximums kann beispielsweise stufenlos in direkter Abhängigkeit von der Temperatur erfolgen. Das Drehmomentmaximum kann aber auch schrittweise für bestimmte Temperaturbereiche festgelegt sein.
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In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind das Drehmomentmaximum und das Blocklimit innerhalb des Kerntemperaturbereichs konstant. Außerhalb des Kerntemperaturbereichs erfolgt eine Änderung des Drehmomentmaximums umgekehrt proportional zur Temperatur.
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In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weist die Motorsteuerung eine Pulsbreitenmodulation der Motorspannung auf. Durch Änderung des Tastverhältnisses kann die Spannung am Motor und damit der Motorstrom geregelt werden. Das Drehmoment am Motor ist proportional zum Strom. Das Drehmomentmaximum ist hier durch ein Maximaltastverhältnis realisiert. Das heißt eine Änderung des Drehmomentmaximums erfolgt in dieser Ausführung durch eine Änderung des Maximaltastverhältnisses.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigt:
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1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Elektromotors,
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2 ein Diagramm einer beispielhaften Abhängigkeit des Blocklimits und des Drehmomentmaximums zur Umgebungstemperatur und
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3 einen dreiphasigen Motor in Dreiecksanordnung mitsamt Brückenschaltung zur Schaltung der Motorphasen.
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Die 1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Elektromotor 7 mitsamt Motorelektronik, der im Beispiel als dreiphasiger, bürstenloser Gleichstrommotor ausgebildet ist. Der Elektromotor 7 ist mit einer Ansteuerschaltung 13 ausgestattet, die vorzugsweise im Motor 7 oder im Antrieb integriert ist. Die Ansteuerschaltung 13 weist eine Brückenschaltung 6 zur Ansteuerung der einzelnen Motorphasen 4 auf. Die Brückenschaltung ist getrennt in eine obere 3 und eine untere 5 Brückenseite geteilt. Die Steuerung der Brückenschaltung erfolgt über einen Mikrokontroller 2. Die Motorphasen 4 werden über die Brückenschaltung 6 mit einer Pulsweitenmodulation (PWM) betrieben. Das Verhältnis OnTime/OffTime (DutyCycle) bestimmt dabei die am Motor anliegende Spannung UMotor = Uin·OnTime/(OnTime + OffTime). Durch die Regelung der Motorspannung ist der Motorstrom bestimmbar; das Drehmoment ist wiederum proportional zum Strom.
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Weiterhin weist der Elektromotor 7 einen Temperatursensor 1 auf, der zur Messung der Umgebungstemperatur ausgelegt ist und beispielsweise mit einem Signaleingang des Mikrokontrollers 2 verbunden ist. Der Mikrokontroller 2 wertet das Temperatursignal aus und steuert die PWM erfindungsgemäß.
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Erfindungsgemäß weist der Motor 7 ein Mittel zur Begrenzung des Drehmoments auf ein Drehmomentmaximum und ein Mittel zur Änderung des Drehmomentmaximums in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur auf. Beides erfolgt im Mikrokontroller 2 durch eine Änderung der PWM in Abhängigkeit des Temperatursignals. Das Drehmomentmaximum ist durch ein Maximaltastverhältnis realisiert. Das bedeutet, dass zur Drehzahlregelung das Tastverhältnis nur bis zu diesem Maximaltastverhältnis frei veränderbar ist. Beispielsweise kann das Tastverhältnismaximum im Kerntemperaturbereich bei einem Drehmomentmaximum von 1,2 Nm bei 50 % liegen. Bei erhöhter Temperatur außerhalb des Kerntemperaturbereichs wird das Drehmomentmaximum beispielsweise auf 0,5 Nm festgelegt; das Maximaltastverhältnis beträgt dann noch 42 %. Bei tiefen Temperaturen außerhalb des Kerntemperaturbereiches ist das Maximaltastverhältnis größer als 50 % und beträgt vorzugsweise zwischen 60% und 100%.
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In 2 ist beispielhaft ein Verlauf des Drehmomentmaximums 11 in Abhängigkeit von der Temperatur T gezeigt. Der Kerntemperaturbereich 8 des Elektromotors reicht im Beispiel von –10°C bis +85°C. In diesem Kerntemperaturbereich 8 erreicht der Motor ein maximales spezifiziertes Drehmoment, im Beispiel 1,2 Nm. Das bedeutet, dass alle Komponenten des Motors bzw. des Antriebs auf dieses maximale Drehmoment in dem Kerntemperaturbereich 8 ausgelegt sind. Das sind unter Anderem beispielsweise die Leistungsschalter der Brückenschaltung, das Schmiermittel und das Getriebe. Im Kerntemperaturbereich 8 beträgt das Drehmomentmaximum 11 konstant 1,2 Nm.
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Der Motor 7 ist außerhalb des Kerntemperaturbereichs 8 in einem erweiterten Kaltbereich 9 zwischen –40°C und –10°C und in einem erweiterten Warmbereich 10 zwischen +85°C und +105°C betreibbar.
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Um die erhöhte Reibung im Kaltbereich 9 zu überwinden, wird in diesem Temperaturbereich das Drehmomentmaximum 11 erhöht. Im Beispiel erfolgt die Erhöhung umgekehrt proportional zur Umgebungstemperatur T, so dass sich im Kaltbereich 9 ein linear fallendes Drehmomentmaximum 11 ergibt.
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Im Warmbereich 10 erfolgt eine Erniedrigung des Drehmomentmaximums 11 proportional zur Umgebungstemperatur T, so dass sich auch hier ein linear fallendes Drehmomentmaximum 11 ergibt.
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Neben der hier gezeigten Abhängigkeit kann das Drehmomentmaximum 11 auch anders, beispielsweise nicht-linear, insbesondere stufig an die Temperatur T angepasst sein.
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Zusätzlich weist die Ansteuerschaltung 13 eine Begrenzung des Motorstroms auf ein Blocklimit 12 auf. Diese verhindert, dass der Motorstrom beim Blockieren des Motors über dieses Blocklimit 12 hinaus ansteigt und den Motor evtl. beschädigt oder gar zerstört. Im Diagramm ist dieses Blocklimit 12 gestrichelt dargestellt. Im Kaltbereich 9 liegt das Blocklimit 12 höher als im Kerntemperaturbereich 8, da aufgrund des höheren Drehmoments 11 auch ein größerer maximaler Strom notwendig ist. Im Warmbereich 10 liegt das Blocklimit 12 dagegen niedriger als im Kerntemperaturbereich.
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Neben dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel, kann das Drehmoment auch durch andere Mittel begrenzt sein, so dass nicht zwangsläufig eine PWM-Steuerung notwendig ist.
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In der 3 ist ein Motor mit Motorwicklungen 4 dargestellt, bestehend aus drei Phasen U, V, W, die in Dreiecksanordnung verschaltet sind, sowie eine entsprechende Brückenschaltung 6, bestehend aus einer oberen Brückenseite 3, bestehend aus elektronischen Schaltern T1, T3, T5, sowie aus einer unteren Brückenseite 5, bestehend aus den elektronischen Schaltern T2, T4, T6, gemäß dem Stand der Technik. Alternativ ist eine ebenfalls bekannte Sternanordnung der drei Phasenwicklungen U, V, W möglich (nicht zeichnerisch dargestellt).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Umgebungstemperatursensor
- 2
- Mikrokontroller
- 3
- obere Brückenseite
- 4
- Motorwicklungen
- 5
- untere Brückenseite
- 6
- Brückenschaltung
- 7
- Elektromotor
- 8
- Kerntemperaturbereich
- 9
- Kaltbereich
- 10
- Warmbereich
- 11
- Drehmomentmaximum
- 12
- Blocklimit
- 13
- Ansteuerschaltung
- D
- Drehmomentachse
- I
- Stromachse
- T
- Temperaturachse
