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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines sensorlosen Elektromotors zum Antrieb einer Pumpe eines Fahrzeugs nach Patentanspruch 1.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, den Stator bei Elektromotoren vor einem Betrieb mit einer, insbesondere vergleichsweise schwachen Spannung, eigens für eine Bestimmung einer Rotorposition zu beaufschlagen. Die angelegte Spannung bewirkt einen Strom in den Statorspulen und ein Magnetfeld. Das Magnetfeld und der Strom in den Statorspulen sind abhängig von der Position des Rotors, damit kann aus einer Analyse einer aus der vorgegebenen Spannungsbeaufschlagung resultierenden Stromreaktion in den Statorspulen die Position des Rotors ermittelt werden. Für eine ermittelte Position des Rotors kann dann diejenige Start-Spannung in den Statorspulen zum Starten des Elektromotors bestimmt und eingestellt werden, welche eine möglichst kurze Einschaltzeit oder schnelle Einschaltreaktion mit sich bringt. Zur Bestimmung einer vorliegenden Rotorpositon ist eine aufwendige Analyse der Stromreaktion auf die Spannungsbeaufschlagung notwendig. Jedoch ist das Verfahren insbesondere für Elektromotoren notwendig, deren Rotorachse nicht frei einstellbar ist, weil diese mit einer Antriebsachse verbunden ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes, insbesondere die Einschaltzeit verkürzendes Verfahren zum Betreiben eines sensorlosen Elektromotors zum Antrieb einer Pumpe, insbesondere einer Getriebeölpumpe eines Fahrzeugs, anzugeben. Darüber hinaus ist eine geeignete Vorrichtung zum Betreiben eines sensorlosen Elektromotors anzugeben.
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Die Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 8 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Beim Verfahren zum Betreiben eines sensorlosen Elektromotors zum Antrieb einer Pumpe, insbesondere einer elektrischen Getriebeölpumpe eines Fahrzeugs, wird mit oder nach Abschaltung des Elektromotors eine Motorwelle des Elektromotors positioniert, insbesondere neu positioniert oder vorpositioniert. Bei den im Rahmen dieser Erfindung betrachteten Elektromotoren ist die Motorwelle des Elektromotors mit dem Rotor des Elektromotors drehfest verbunden. Dabei wird die Motorwelle und damit der Rotor des Elektromotors derart bezüglich seiner Winkellage positioniert oder vorpositioniert, dass die Motorwelle eine Stellung in einer definierten Startposition, insbesondere in einer definierten Startwinkellage, vor einem nächsten Neustart oder Anlauf des Elektromotors einnimmt.
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Unter Abschaltung des Elektromotors wird hierbei insbesondere ein solcher Betriebszustand des Elektromotors verstanden, in welchem dieser inaktiv und nicht drehzahl- oder stromgesteuert ist.
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Der Vorteil der Erfindung besteht dann, dass die Einschaltzeit einer elektrisch angetriebenen Pumpe, wie einer elektrischen Zusatzgetriebeölpumpe, deutlich reduziert wird, da die Pumpe aufgrund der unmittelbar mit oder nach Abschaltung des Elektromotors und somit vor einem nächsten Neustart oder Anlauf des Elektromotors vorgenommenen Vorpositionierung bei der nächsten Startanforderung unmittelbar ohne Vorpositionierung gestartet werden kann. Somit entfällt die Vorpositionierung während des Neustarts oder Anlaufs. Hierdurch wird die Einschaltzeit gegenüber herkömmlichen elektrisch angetriebenen Pumpen mit einer Vorpositionierung beim Neustart oder mit einem Anlauf aus einer undefinierten Winkellage um bis zu 85% reduziert. Dies ist insbesondere vorteilhaft in Fahrzeugen mit Automatikgetrieben, welche ein Zwei-Pumpen-System mit einer mechanischen Hauptgetriebeölpumpe und einer elektrischen Zusatzgetriebeölpumpe umfassen. Die mechanische Hauptgetriebepumpe dient in diesen Automatikgetrieben der Ölversorgung im hohen Drehzahlbereich, die elektrische Zusatzgetriebeölpumpe deckt die Ölversorgung im niedrigen Drehzahlbereich, während des Start-Stopp-Betriebs und darüber hinaus in weiteren Betriebszuständen des Automatikgetriebes ab und wird demnach häufig zugeschaltet, so dass kurze Einschaltzeiten eine deutlich spürbare Erhöhung des Fahrzeugkomforts mit sich bringen.
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Findet keine Vorpositionierung eines Rotors einer Elektromaschine vor einem Start einer Elektromaschine statt, so erhöht sich eine Einschaltzeit eines Elektromotors, da der Rotor nach dem Start der Elektromaschine aus einer undefinierten Winkellage zunächst eine gewisse Zeit benötigt, um sich in seiner Drehgeschwindigkeit dem vorliegenden umlaufenden Statorfeld anzupassen. Demnach kann mit der Erfindung vorteilhaft eine Erhöhung der Einschaltzeit, welche ein Start eines Elektromotors aus einer undefinierten Winkellage heraus mit sich bringt, vermieden werden.
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In einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung wird die Motorwelle des Elektromotors nach jeder Abschaltung des Elektromotors neu positioniert oder vorpositioniert, so dass eine Vorpositionierung bei jedem Neustart oder Anlauf des Elektromotors vermieden ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird nach Abschaltung des Elektromotors und während des Auslaufens eines Rotors des Elektromotors die Motorwelle des Elektromotors derart positioniert, insbesondere neu positioniert oder vorpositioniert, dass der Rotor zusätzlich mit einem Stromwert oberhalb eines Mindeststromgrenzwertes bestromt oder beaufschlagt wird. Hierdurch wird mittels eines Stromimpulstakts ein von der Winkelausrichtung her statisches Magnetfeld erzeugt und damit eine Positionierung und Bewegung des Rotors bis in eine definierte Startposition ermöglicht. In einer einfachen Ansteuerung kann hierbei ein einziger Stromimpulstakt vergesehen werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird zur sicheren Bewirkung eines Auslaufenlassens des Rotors und damit eines Stillstands des Elektromotors die Motorwelle des Elektromotors erst nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitraums nach Abschaltung des Elektromotors positioniert, insbesondere neu positioniert oder vorpositioniert für einen nachfolgenden Neustart oder Anlauf. Mit anderen Worten: Es wird ein solcher Zeitraum vorgegeben und abgewartet, mittels welchem sichergestellt ist, dass der Rotor des Elektromotors ausgelaufen ist und still steht.
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Insbesondere wird nach Ablauf des vorgegebenen Zeitraums nach Abschaltung des Elektromotors die Motorwelle des Elektromotors derart positioniert, dass ein Stator des Elektromotors mit einem vorgegebenen Stromwert oberhalb eines Mindeststromgrenzwertes bestromt oder beaufschlagt wird. Hierdurch wird mittels eines Stromimpulstakts ein von der Winkelausrichtung her statisches Magnetfeld erzeugt und damit eine Positionierung und Bewegung des Rotors bis in die Startposition ermöglicht.
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Dabei wird als Mindeststromgrenzwert ein solcher Stromwert vorgegeben, der eine Drehbewegung des Rotors bewirkt. Insbesondere wird ein solch hoher Stromwert als Mindeststromgrenzwert vorgegeben, mittels welchem der Rotor auftretende, seiner Drehbewegung entgegenwirkende Reibungskräfte und Widerstände auch bei tiefen Temperaturen und somit zähem Öl überwinden kann.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird zur Abschaltung des Elektromotors dieser in einen inaktiven Zustand geschaltet. Dabei besteht die Stromversorgung des Elektromotors beispielsweise aus einer Hochspannungs-Versorgung (auch HV-Versorgung genannt) oder einer Niedrigspannungs-Versorgung, insbesondere eine 12 V-Versorgung. 24 V-Spannungslagen oder 48 V-Spannungslagen für eine Niederspannungsversorgung sind dabei auch möglich.
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Hinsichtlich der Vorrichtung zum Betreiben eines sensorlosen Elektromotors zum Antrieb einer Pumpe, insbesondere einer Getriebeölpumpe eines Fahrzeugs, mit einem Elektromotor als Antrieb der Pumpe und einer dem Elektromotor zugehörigen Leistungselektronik wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Positioniereinheit vorgesehen und derart eingerichtet ist, dass diese nach Abschaltung des Elektromotors eine Motorwelle des Elektromotors positioniert oder vorpositioniert, insbesondere in eine Stellung bringt für einen zukünftigen Neustart oder Anlauf des Elektromotors.
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In einer möglichen Ausgestaltung ist die Positioniereinheit in eine Getriebe- und/oder Motorsteuerung implementiert und derart eingerichtet, dass mittels dieser der Elektromotor in einen inaktiven Zustand schaltbar ist. Der inaktive Zustand des Elektromotors, in welchem dieser nicht in einem operativen Betriebszustand ist und nicht drehzahlgeregelt wird, wird insbesondere als Abschaltung des Elektromotors verstanden. Die Positioniereinheit ist insbesondere als ein Softwaremodul ausgebildet.
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Darüber hinaus ist die Positioniereinheit derart eingerichtet, dass mittels dieser nach Abschaltung des Elektromotors ein Stator oder ein Rotor des Elektromotors mit einem vorgegebenen Stromwert oberhalb eines Mindeststromgrenzwertes bestrombar ist. Dabei ist nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitraums nach Abschaltung des Elektromotors oder nach Abschaltung des Elektromotors während des Auslaufenlassens des Rotors der Stator bzw. der Rotor des Elektromotors mit einem vorgegebenen Stromwert oberhalb eines Mindeststromgrenzwertes bestrombar oder beaufschlagbar.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch ein Ausführungsbeispiel für einen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Betreiben eines sensorlosen Elektromotors,
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2A schematisch ein Ausführungsbeispiel für einen Elektromotor ohne Welle mit einem Rotor in einer ersten Stellung in einer beliebigen Position nach Abschaltung des Elektromotors, und
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2B schematisch den Elektromotor gemäß 2A mit einem Rotor in einer zweiten Stellung in einer Startposition nach Abschaltung und vor einem Neustart des Elektromotors.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel für einen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Betreiben eines Elektromotors 2 zum Antrieb einer Pumpe 3, insbesondere einer Getriebeölpumpe, wie einer Zusatzgetriebeölpumpe eines Zwei-Pumpen-Systems eines Automatikgetriebes eines Fahrzeugs. Die Pumpe 3 wird im Weiteren Getriebeölpumpe 3 genannt.
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Der Elektromotor 2 ist ein sensorloser Elektromotor und dient als Antrieb für die Getriebeölpumpe 3. Der Elektromotor 2 kann eine permanenterregte Synchronmaschine, eine Asynchronmaschine oder eine Reluktanzmaschine sein. Der Elektromotoer ist insbesondere als Innenläufer ausgebildet, kann jedoch auch als Außenläufer ausgebildet sein.
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Zum Betreiben des Elektromotors 2 umfasst die Vorrichtung 1 eine dem Elektromotor 2 zugehörige Leistungselektronik 4 oder Kommutierungseinheit mit beispielsweise sechs Blöcken. Der Elektromotor 2 wiederum treibt nach Maßgabe der Leistungselektronik 4 die Getriebeölpumpe 3 an.
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Eine Batterie 5 versorgt die Leistungselektronik 4 des Elektromotors 2 mit Strom über eine erste Leitung L1.
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Die Getriebeölpumpe 3 ist mit einer Motorwelle 6 des Elektromotors 2 verbunden. Die Leistungselektronik 4 versorgt den Elektromotor 2 mit Strom und steuert und überwacht seine Funktion über eine zweite Leitung L2.
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Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung 1 eine Positioniereinheit 7, die vorgesehen und derart eingerichtet ist, dass diese nach Abschaltung des Elektromotors 2 die Motorwelle 6 des Elektromotors 2 derart neu positioniert oder vorpositioniert, dass die Motorwelle 6 eine Stellung in eine definierte Startposition SP vor einem nächsten Neustart oder Anlauf des Elektromotors 2 einnimmt.
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Die Positioniereinheit 7 ist beispielsweise in eine Getriebe- und/oder Motorsteuerung implementiert und derart eingerichtet, dass mittels dieser der Elektromotor 2 in einen inaktiven Zustand schaltbar und somit im Sinne der Erfindung abschaltbar ist. Hierzu ist die Positioniereinheit 7 mit der Leistungselektronik 4 über eine dritte Leitung L3 verbunden. Dabei schaltet die Positioniereinheit 7 über die Leistungselektronik 4 den Elektromotor 2 zunächst in den inaktiven Zustand und schaltet diesen somit ab. Anschließend steuert die Positioniereinheit 7 über die dritte Leitung L3 die Leistungselektronik 4 derart an, dass der Stator 2.1 des Elektromotors 2 für eine Vorpositionierung der Motorwelle 6 in die Startposition SP mit Strom beaufschlagt wird.
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Die Batterie 5 versorgt darüber hinaus die Positioniereinheit 7 und/oder eine übergeordnete Getriebe- und/oder Motorsteuerung über eine vierte Leitung L4 mit Strom. Es ist auch denkbar, dass eine weitere im Fahrzeug vorgesehene Batterie die Positioniereinheit 7 mit Strom versorgt.
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Im Detail ist die Positioniereinheit 7 derart eingerichtet, dass mittels dieser nach Abschaltung des Elektromotors 2 der Stator 2.1 des Elektromotors 2 mit einem vorgegebenen Stromwert oberhalb eines Mindeststromgrenzwertes bestrombar ist.
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Dabei ist die Positioniereinheit 7 derart eingerichtet, dass die Motorwelle 6 des Elektromotors 2 nach jeder Abschaltung des Elektromotors 2 für einen nachfolgenden zukünftigen Neustart des Elektromotors 2 vorpositioniert wird.
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Die Motorwelle 6 des Elektromotors 2 wird nach Abschaltung des Elektromotors 2 und nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitraums nach Abschaltung des Elektromotors 2 vorpositioniert. Dabei wird der Stator 2.1 des Elektromotors 2 mit einem vorgegebenen Stromwert oberhalb eines Mindeststromgrenzwertes bestromt.
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Als Mindeststromgrenzwert wird ein solcher Stromwert vorgegeben, der eine Drehbewegung des Rotors 2.2 noch bewirkt. Mit anderen Worten: Durch die Beaufschlagung des Stators 2.1 mit einem Stromwert oberhalb des Mindeststromgrenzwertes wird ein statisches Magnetfeld erzeugt, mittels welchem der Rotor auftretende Reibungskräfte und Widerstände auch bei tiefen Temperaturen und somit zähem Öl überwinden kann und eine Vorpositionierung und Bewegung des Rotors 2.2 ermöglicht.
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2A zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel für einen Elektromotor 2 (ohne Darstellung der Motorwelle 6) mit einer Polpaarzahl eins für den Rotor. Für den Stator 2.1 sind in 2A vereinfacht 3 Pole dargestellt. Nach dem Ausschalten des Elektromotors 2 bleibt der Rotor 2.2 in einer beliebigen ersten Stellung stehen.
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Zur Vorpositionierung der Motorwelle 6 des Elektromotors 2 für einen nachfolgenden Neustart wird eine Beaufschlagung des Stators 2.1 nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitraums nach Motorabschaltung mit einem vorgegebenen festen Stromwert vorgenommen, der größer als ein Mindeststromgrenzwert ist, so dass ein von der Winkelausrichtung her statisches Magnetfeld entsteht. Der Rotor 2.2 wird dabei in eine definierte zweite Stellung, die Startposition SP, vor dem Neustart oder Anlauf des Elektromotors 2 vorpositioniert. Der Rotor 2.2 wird in eine zweite Stellung, die Startposition SP gestellt, in der ein Paar des magnetischen Nordpols N eines der Statorelemente und des magnetischen Südpols S des Rotors 2.2 einander gegenüberliegen.
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2B zeigt schematisch den Elektromotor 2 gemäß 2A in der zweiten Stellung, der Startposition SP des Elektromotors 2, die dieser nach Abschaltung und vor einem nachfolgenden Neustart eingenommen hat. Durch statisches Bestromen der Statorpole bildet sich entsprechend ein statisches Magnetfeld aus, welches eine Ausrichtung der Rotorpole bezüglich dieses statischen Feldes bewirkt. In der in der 2B schematisch dargestellten Ausführung bildet sich, bei entsprechender Statorbestromung, an einem der Statorpole in Richtung des Rotors 2.2 ein Nordpol aus, während bei den anderen beiden Statorpolen sich in Richtung des Rotors Südpole ausbilden. In diesem Magnetfeld orientiert sich der Rotorpol entsprechend, so dass es für diese Ausführung nur eine Rotorstellung als Startposition ergibt.
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Die Erfindung ist auch anwendbar für nicht näher dargestellte Rotoren mit Polpaarzahlen größer eins, beispielsweise mit einer Polpaarzahl von zwei (vier Pole), drei (6 Pole) oder vier (8 Pole). In diesen Fällen ergeben sich zwei, drei oder vier mögliche Startpositionen mit einem maximalen Einstellwinkel einer Vorpositionierung des Rotors 2.2 von maximal 90 Grad, 60 Grad bzw. 45 Grad. Da der Stator 2.1 und der Rotor 2.2 des Elektromotors 2 mit einer Polpaarzahl von zwei, drei oder vier symmetrisch aufgebaut sind, ist es unerheblich, welche der zwei, drei oder vier Startpositionen beim Vorpositionieren nach Ausschaltung des Elektromotors 2 eingestellt wird.
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Eine Erhöhung der Polzahlen des Stators führt ebenso zu einer Erhöhung der Anzahl der möglichen Startpositionen. Wesentlich für eine Ausrichtung des Rotors ist nicht die absolute Winkellage des Rotors, sondern nur der relative Winkel zwischen Statorpol und Rotorpol, der bei der Vorpositionierung eingestellt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Elektromotor
- 2.1
- Stator
- 2.2
- Rotor
- 3
- Pumpe/Getriebeölpumpe
- 4
- Leistungselektronik
- 5
- Batterie
- 6
- Motorwelle
- 7
- Positioniereinheit
- L1 bis L4
- Leitungen
- N
- magnetischer Nordpol
- SP
- Startposition
- S
- magnetischer Südpol
