DE102014113542A1

DE102014113542A1 - Elektrisches Antriebssystem

Info

Publication number: DE102014113542A1
Application number: DE102014113542.3A
Authority: DE
Inventors: Florian Beer
Original assignee: Robert Bosch Automotive Steering GmbH
Current assignee: Robert Bosch Automotive Steering GmbH
Priority date: 2014-09-19
Filing date: 2014-09-19
Publication date: 2016-03-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem (1), umfassend wenigstens eine mehrphasige elektrische Maschine (2) mit mehreren Phasenwicklungssträngen (U, U', V, V', W, W'), welche für wenigstens eine Phase wenigstens zwei redundante Phasenwicklungsstränge (U, U', V, V', W, W') aufweist, und eine elektrische Schaltungsvorrichtung (3) mit einer Anzahl von separaten elektrischen Schaltungseinheiten (3a, 3b, 3c) zur elektrischen Versorgung der Phasenwicklungsstränge (U, U', V, V', W, W'). Wenigstens eine der elektrischen Schaltungseinheiten (3a, 3b, 3c) ist zur elektrischen Versorgung von wenigstens zwei der Phasenwicklungsstränge (U, U', V, V', W, W') eingerichtet, deren zugehörige Phasen voneinander verschieden sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem, umfassend wenigstens eine mehrphasige elektrische Maschine mit mehreren Phasenwicklungssträngen, welche für wenigstens eine Phase wenigstens zwei redundante Phasenwicklungsstränge aufweist, und eine elektrische Schaltungsvorrichtung mit einer Anzahl von separaten elektrischen Schaltungseinheiten zur elektrischen Versorgung der Phasenwicklungsstränge.
Eine vorstehend genannte elektrische Maschine kann einen Stator und einen Rotor aufweisen, wobei der Stator sogenannte Statorzähne und Statornuten aufweisen kann, in denen eine Statorwicklung mit redundanten Wicklungssystemen bzw. Phasenwicklungssträngen angeordnet ist. Derartige elektrische Maschinen, insbesondere Elektromotoren, wie Synchronmotoren, werden beispielsweise als Servoantriebe bei Servolenkvorrichtungen in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Die Ansteuerung bzw. Speisung oder elektrische Versorgung derartiger elektrischer Maschinen erfolgt über eine elektrische Schaltungsvorrichtung, insbesondere einen Wechselrichter oder Umrichter.
Bei elektrischen Servolenkvorrichtungen kann eine redundante Auslegung des Servoantriebs, welcher eine vorstehend erwähnte elektrische Maschine umfassen kann, erforderlich sein. Aus der Praxis ist es dazu beispielsweise bekannt, die Phasenwicklungsstränge bzw. Windungen, insbesondere bezüglich ihrer magnetischen Wirkung redundant auszuführen. Dadurch kann bei einem Ausfall bzw. einem Kurzschluss eines Phasenwindungsstrangs die zweite, redundante Wicklungshälfte immer noch ordnungsgemäß mit Strom versorgt und somit ein Rest an Induktivität für eine zumindest teilweise Aufrechterhaltung des Betriebs bereitgestellt werden. Die jeweiligen Phasen können in zwei Halbmaschinen der elektrischen Maschine synchron ausgeführt sein. Es ist bekannt, die redundanten Phasenwicklungsstränge durch eine elektrische Schaltungseinheit bzw. einen Ansteuerungsblock der elektrischen Schaltungsvorrichtung, insbesondere des Wechselrichters, anzusteuern bzw. zu versorgen. Ein Ausfall eines einzelnen Ansteuerungsblocks führt jedoch auch bei einer redundanten Motorauslegung bislang dazu, dass eine Phase des Motors komplett ausfällt. Somit kann bei einem dreiphasigen Elektromotor beispielsweise nur noch ein Zweiphasenbetrieb realisiert werden. Dadurch ergibt sich eine hohe Momentenwelligkeit, da in zwei Drittel der Rotorpositionen des Elektromotors kein Moment gestellt werden kann, sondern sich beispielsweise bei Drehzahlen von ca. 500 U/Min ein Bremsmoment einstellt, was für die Weiterfahrt des Kraftfahrzeugs im Falle einer elektrischen Servolenkvorrichtung kritisch ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Antriebssystem der eingangs erwähnten Art zu schaffen, welches die Nachteile des Standes der Technik vermeidet, insbesondere die Ausfallsicherheit der mehrphasigen elektrischen Maschine weiter erhöht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein elektrisches Antriebssystem gelöst, umfassend wenigstens:

– eine mehrphasige elektrische Maschine mit mehreren Phasenwicklungssträngen, welche für eine oder mehrere, vorzugsweise sämtliche, Phasen wenigstens zwei, insbesondere bezüglich ihrer magnetischen Wirkung, redundante Phasenwicklungsstränge aufweist, und
– eine elektrische Schaltungsvorrichtung mit einer Anzahl von separaten elektrischen Schaltungseinheiten zur elektrischen Versorgung der Phasenwicklungsstränge, wobei wenigstens eine, vorzugsweise sämtliche, der elektrischen Schaltungseinheiten zur elektrischen Versorgung von wenigstens zwei der Phasenwicklungsstränge eingerichtet ist, deren zugehörige Phasen voneinander verschieden sind.

Dadurch, dass wenigstens eine der elektrischen Schaltungseinheiten zur elektrischen Versorgung von wenigstens zwei der Phasenwicklungsstränge eingerichtet ist, deren zugehörige Phasen voneinander, insbesondere paarweise verschieden sind, kann in vorteilhafter Weise bei einem Ausfall eines einzelnen Ansteuerungsblocks bzw. einer elektrischen Schaltungseinheit zumindest ein Notbetrieb der elektrischen Maschine gewährleistet werden. Wenn die Phasen untereinander sozusagen "gemischt" sind, kann bei Ausfall einer der Versorgungen immer noch in jedem Sektor des Elektromotors eine der beiden redundanten Wicklungen bzw. Phasenwicklungsstränge mit Strom versorgt werden. Durch die versetzte Zuordnung der Phasen zu den beiden Halbmaschinen ergibt sich somit der Vorteil, dass bei Ausfall eines Ansteuerungsblocks noch in allen Arbeitspunkten Momente bei dem Elektromotor gestellt werden können. Unter redundanten Phasenwicklungssträngen können solche Phasenwicklungsstränge verstanden werden, deren funktionale oder magnetische Wirkungen gleich oder, beispielsweise innerhalb eines vorgebbaren Toleranzbereichs, vergleichbar oder zumindest sehr ähnlich zueinander sind.
Vorteilhaft ist es, wenn wenigstens eine elektrische Schaltungseinheit eine unabhängige elektrische Versorgung aufweist. Wird durch eine geeignete Auftrennung zwischen den Ansteuerungsblöcken (auch als sogenannte "Powermodule" bezeichnet) bzw. den elektrischen Schaltungseinheiten gewährleistet, dass die Versorgung der Module unabhängig ist, können die verbleibenden funktionsfähigen Module zum Weiterbetrieb der elektrischen Maschine eingesetzt werden.
Die wenigstens zwei redundanten Phasenwicklungsstränge einer Phase können auf unterschiedliche Weise zueinander geschaltet sein. Sonach kann bei Ausfall eines Phasenwicklungsstrangs immer noch der zweite, redundante Phasenwicklungsstrang zur Aufrechterhaltung der Funktionalität des Elektromotors verwendet werden. Es sind Motorkonstruktionen denkbar, bei welchen die zueinander redundanten Wicklungen bzw. Phasenwicklungsstränge auf nebeneinander liegenden Statorzähnen, gegebenenfalls auch mit dazwischen liegenden freien Statorzähnen, angeordnet sind. Bei weiteren Wicklungsschemata kann der Motor eine erste (z. B. obere) und eine zweite redundante (z. B. untere) Halbmaschine umfassen, welche jeweils mehrere Phasen aufweisen.
Sehr vorteilhaft ist es, wenn die elektrische Maschine je Phase über wenigstens zwei redundante Phasenwicklungsstränge verfügt. Durch diese Maßnahmen ist eine hohe Ausfallsicherheit der elektrischen Maschine gewährleistet. Jede Phase der mehrphasigen elektrischen Maschine kann dazu mit wenigstens zwei redundanten Phasenwicklungssträngen ausgeführt sein.
Die elektrische Maschine kann dreiphasig ausgeführt sein.
Die elektrische Maschine kann als, insbesondere permanent erregte Synchronmaschine bzw. Synchronmotor, oder als Asynchronmaschine, insbesondere als Asynchronmotor, ausgeführt sein.
Die elektrische Schaltungsvorrichtung kann als insbesondere dreiphasiger Wechselrichter ausgeführt sein.
Die elektrischen Schaltungseinheiten der elektrischen Schaltungsvorrichtung können einen ersten Schaltungsteil mit einem ersten Transistor zur Schaltung der Phasenwicklungsstränge auf die Phasenspannung und einen zweiten Schaltungsteil mit einem zweiten Transistor zur Schaltung der Phasenwicklungsstränge auf ein Massepotenzial aufweisen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Nachfolgend ist anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung prinzipmäßig beschrieben.
Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems.
Die Figur zeigt ein elektrisches Antriebssystem 1 umfassend einen dreiphasigen Elektromotor bzw. eine dreiphasige (mit den Motorphasen "U", "V" und "W") elektrische Maschine 2 mit mehreren Phasenwicklungssträngen U, U', V, V', W, W', welche je Phase über wenigstens zwei, insbesondere bezüglich ihrer magnetischen Wirkung, redundante Phasenwicklungsstränge U, U', V, V', W, W' verfügt. In weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen kann es sich auch um eine elektrische Maschine mit einer anderen Anzahl an Phasen handeln. Auch könnten nicht für jede Phase der elektrischen Maschine 2 wenigstens zwei redundante Phasenwicklungsstränge U, U', V, V', W, W' vorhanden sein.
Das elektrische Antriebssystem 1 kann beispielsweise als Servoantrieb in einer elektrischen bzw. elektronischen Servolenkvorrichtung (EPS/electric power steering) eingesetzt werden.
Wie weiter aus der Figur ersichtlich, umfasst das elektrische Antriebssystem 1 eine elektrische Schaltungsvorrichtung 3 mit drei separaten elektrischen Schaltungseinheiten 3a, 3b und 3c zur elektrischen Versorgung der Phasenwicklungsstränge U, U', V, V', W, W'. Die elektrischen Schaltungseinheiten 3a, 3b, 3c sind jeweils zur elektrischen Versorgung von zwei Phasenwicklungssträngen U, U', V, V', W, W' eingerichtet (in der Figur stark vereinfacht dargestellt), deren zugehörige Phasen voneinander, insbesondere paarweise verschieden sind. Die unterschiedlichen, zu den Phasenwicklungssträngen U, U', V, V', W, W' zugehörigen Motorphasen sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch die Buchstaben "U", "V" und "W" in den Bezugszeichen angedeutet, sodass z. B. die Phasenwicklungsstränge U, U' bezüglich ihrer zugehörigen Phase "U" redundant ausgelegt sind. Wie aus der Figur ersichtlich, ist die elektrische Schaltungseinheit 3a zur elektrischen Versorgung bzw. Ansteuerung der Phasenwicklungsstränge U, V' eingerichtet. Des Weiteren ist die elektrische Schaltungseinheit 3b zur elektrischen Versorgung bzw. Ansteuerung der Phasenwicklungsstränge V, W' eingerichtet. Schließlich ist die elektrische Schaltungseinheit 3c zur elektrischen Versorgung bzw. Ansteuerung der Phasenwicklungsstränge W, U' eingerichtet. Sonach ergibt sich die Kombination "U–V', V–W' und W–U'". Ferner ist z. B. auch die Kombination "U–W', V–U', W–V'" denkbar. Selbstverständlich können die Ansteuerungsblöcke bzw. elektrische Schaltungseinheiten 3a, 3b, 3c hinsichtlich der zu versorgenden Phasenwicklungsstränge U, U', V, V', W, W' vertauscht sein.
Die elektrischen Schaltungseinheiten 3a, 3b, 3c weisen jeweils eine unabhängige elektrische Versorgung 4a, 4b, 4c auf.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel verfügt die elektrische Maschine 2 je Phase über wenigstens zwei redundante Phasenwicklungsstränge U, U', V, V', W, W'.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die elektrische Maschine 2 als permanent erregte Synchronmaschine, insbesondere als Synchronmotor, ausgeführt. In weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen könnte die elektrische Maschine 2 mit den notwendigen Änderungen auch als eine Asynchronmaschine oder dergleichen ausgeführt sein.
Die elektrische Schaltungsvorrichtung 3 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Wechselrichter ausgeführt.
Die elektrischen Schaltungseinheiten 3a, 3b, 3c weisen einen ersten Schaltungsteil mit einem ersten Transistor zur Schaltung der Phasenwicklungsstränge U, U', V, V', W, W' auf die Phasenspannung und einen zweiten Schaltungsteil mit einem zweiten Transistor zur Schaltung der Phasenwicklungsstränge U, U', V, V', W, W' auf ein Massepotenzial auf (nicht dargestellt).
Bezugszeichenliste

1: Elektrisches Antriebssystem
2: Elektrische Maschine
3: Elektrische Schaltungsvorrichtung
3a, 3b, 3c: Elektrische Schaltungseinheit
4a, 4b, 4c: Elektrische Versorgung der elektrischen Schaltungseinheiten
U, U', V, V', W, W': Phasenwicklungsstränge

Claims

Elektrisches Antriebssystem (1), umfassend wenigstens: – eine mehrphasige elektrische Maschine (2) mit mehreren Phasenwicklungssträngen (U, U', V, V', W, W'), welche für wenigstens eine Phase wenigstens zwei redundante Phasenwicklungsstränge (U, U', V, V', W, W') aufweist, und – eine elektrische Schaltungsvorrichtung (3) mit einer Anzahl von separaten elektrischen Schaltungseinheiten (3a, 3b, 3c) zur elektrischen Versorgung der Phasenwicklungsstränge (U, U', V, V', W, W'), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der elektrischen Schaltungseinheiten (3a, 3b, 3c) zur elektrischen Versorgung von wenigstens zwei der Phasenwicklungsstränge (U, U', V, V', W, W') eingerichtet ist, deren zugehörige Phasen voneinander verschieden sind.
Elektrisches Antriebssystem (1) nach Anspruch 1, wobei wenigstens eine elektrische Schaltungseinheit (3a, 3b, 3c) eine unabhängige elektrische Versorgung (4a, 4b, 4c) aufweist.
Elektrisches Antriebssystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die elektrische Maschine (2) je Phase über wenigstens zwei redundante Phasenwicklungsstränge (U, U', V, V', W, W') verfügt.
Elektrisches Antriebssystem (1) nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, wobei die elektrische Maschine (2) dreiphasig ausgeführt ist.
Elektrisches Antriebssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die elektrische Maschine (2) als Synchronmaschine, insbesondere als Synchronmotor oder als Asynchronmaschine, insbesondere als Asynchronmotor ausgeführt ist.
Elektrisches Antriebssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die elektrische Schaltungsvorrichtung (3) als, insbesondere dreiphasiger, Wechselrichter ausgeführt ist.
Elektrisches Antriebssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die elektrischen Schaltungseinheiten (3a, 3b, 3c) einen ersten Schaltungsteil mit einem ersten Transistor zur Schaltung der Phasenwicklungsstränge (U, U', V, V', W, W') auf die Phasenspannung und einen zweiten Schaltungsteil mit einem zweiten Transistor zur Schaltung der Phasenwicklungsstränge (U, U', V, V', W, W') auf ein Massepotenzial aufweisen.