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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine permanentmagneterregte Synchronmaschine in Zahnspulentechnik eines Lenksystems, einen Antrieb eines Lenksystems eines Fahrzeugs und einen fehlertoleranten Antrieb eines Lenksystems eines Fahrzeugs.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Im Stand der Technik sind 3-phasige Halbbrückenschaltungen bekannt, die eine Statorwicklung eines Asynchronmotors oder eines permanenterregten Synchronmotors ansteuern können. Außerdem können mehrere 3-phasige Brückenschaltungen verwendet werden, um eine Mehrzahl an Statorwicklungen eines Elektromotors anzusteuern. Hierdurch kann eine Redundanz, und damit Fehlertoleranz, hergestellt werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die Statorwicklungen umfassen Windungspakete, wobei die einzelnen Windungen durch einen Isolierlack gegen Kurzschluss mit benachbarten Windungen isoliert sind. Beispielsweise durch Schadstellen bzw. Defekte im Lack können aufeinanderliegende Windungen kurzgeschlossen werden. Es kann der Fall eintreten, dass ganze Windungspakete innerhalb einer Statornut, sogenannte Zahnspulen, kurzgeschlossen werden. Durch einen Kurzschluss ergeben sich Kurzschlussströme, die im Betrieb zu unerwünschten Bremsmomenten führen können.
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Potenziell entstehende Bremsmomente bei einem Kurzschluss beispielsweise einer Zahnspule bei einer konkreten Anwendung in einem Lenksystem eines Fahrzeugs können inakzeptabel sein. In diesem Fall können die entsprechenden Elektromaschinen nicht verwendet werden, selbst wenn sonstige Eigenschaften dieser elektrischen Maschinen von besonderem Vorteil sind.
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Eine Aufgabe ist daher, potenzielle Bremsmomente durch einen Kurzschluss zu vermeiden bzw. Bremsmomente in kritischen Situationen, insbesondere bei kleinen Drehzahlen des entsprechenden Elektromotors, klein zu halten bzw. nach großen Drehzahlen zu verlagern.
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Als erste Ausführungsform der Erfindung wird eine permanentmagneterregte Synchronmaschine in Zahnspulentechnik eines Lenksystems zur Verfügung gestellt, umfassend: einen Rotor zur Übertragung eines Drehmoments und einen Stator zur Erzeugung eines elektromagnetischen Felds, wobei der Stator eine Nut zur Aufnahme von Windungen einer Zahnspule aufweist, wobei die Zahnspule eine 2-, 3-, 4-, 5-, 6- oder beliebige Teilung in Bereiche mit Windungen aufweist.
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Durch eine Aufteilung einer Zahnspule in voneinander elektrisch isolierte Bereiche kann ein Kurzschluss einer kompletten Zahnspule konstruktiv verhindert werden. Hierdurch kann das Maximum des Bremsmoments eines Kurzschlusses zu höheren Drehzahlen verschoben werden.
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Als zweite Ausführungsform der Erfindung wird ein Antrieb eines Lenksystems eines Fahrzeugs zur Verfügung gestellt, wobei der Antrieb eine elektronische Ansteuerung und eine Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6 aufweist.
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Als dritte Ausführungsform der Erfindung wird ein fehlertoleranter Antrieb eines Lenksystems eines Fahrzeugs zur Verfügung gestellt, wobei der Antrieb 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder beliebig viele Teilantriebe aufweist, wobei 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder beliebig viele Teilantriebe eine Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6 aufweisen.
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Beispielhafte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine Synchronmaschine zur Verfügung gestellt, wobei die Bereiche durch Isolierungen voneinander isoliert sind.
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In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird eine Synchronmaschine zur Verfügung gestellt, wobei die Bereiche zur Isolation in separaten Kammern angeordnet sind.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Synchronmaschine zur Verfügung gestellt, wobei der Servomotor im Stator 12 Nuten und der Rotor 8 Magnetpole aufweist oder wobei der Servomotor im Stator 12 Nuten und der Rotor 10 Magnetpole aufweist.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine Synchronmaschine zur Verfügung gestellt, wobei die Wicklung des Stators als Zweischichtwicklung oder als Einschichtwicklung ausgeführt ist.
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In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird eine Synchronmaschine zur Verfügung gestellt, wobei der Servomotor Teil einer elektrischen Lenkung für ein Kraftfahrzeug ist und/oder wobei der Servomotor Teil einer elektrischen Lenkung zum automatischen Fahren eines Kraftfahrzeugs ist.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Antrieb zur Verfügung gestellt, wobei das Lenksystem zum automatischen Fahren geeignet ist.
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Als eine Idee der Erfindung kann angesehen werden, eine Aufspaltung einer Zahnspule eines Stators/eines Wicklungspakets innerhalb einer Nut eines Stators vorzunehmen, sodass ein Kurzschluss eines kompletten Wicklungspakets konstruktiv ausgeschlossen werden kann. Hierdurch kann bei einem Kurzschluss, das entstehende Bremsmoment zu großen Drehzahlen verschoben werden, wodurch sich bessere Lenkeigenschaften eines defekten Servomotors ergeben.
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Die einzelnen Merkmale können selbstverständlich auch untereinander kombiniert werden, wodurch sich zum Teil auch vorteilhafte Wirkungen einstellen können, die über die Summe der Einzelwirkungen hinausgehen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele deutlich. Es zeigen:
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1 zwei 3-phasige Brückenschaltungen zur redundanten Ansteuerung von zwei Statorwicklungen einer Elektromaschine,
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2 zwei 3-phasige Brückenschaltungen zur redundanten Ansteuerung von zwei Statorwicklungen einer Elektromaschine mit einer jeweiligen Phasentrennung,
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3 eine Kurve eines Bremsmoments M bei Windungskurzschluss einer kompletten Zahnspule über der Drehzahl n eines entsprechenden Elektromotors,
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4 ein Wickelschema einer Elektromaschine in einer 12/8-Topologie, d.h. der Stator umfasst 12 Statorzähne/Statornuten mit 12 Windungspaketen und der Rotor weist 8 Magnete auf, wobei eine Zweischichtwicklung vorliegt, mit zwei voneinander getrennten Teilwicklungen,
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5 einen Querschnitt der Elektromaschine der 4 mit einem Stator 3 und einem Rotor 7,
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6 ein Wickelschema einer Elektromaschine in einer 12/8-Topologie, d.h. der Stator umfasst 12 Statorzähne/Statornuten mit 6 Windungspaketen und der Rotor weist 8 Magnete auf, wobei eine Einschichtwicklung vorliegt, mit zwei voneinander getrennten Teilwicklungen,
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7 einen Querschnitt der Elektromaschine der 6 mit einem Ständer 3 und einem Rotor 7,
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8 ein Wickelschema einer Elektromaschine in einer 12/10-Topologie, d.h. der Stator umfasst 12 Statorzähne/Statornuten mit 12 Windungspaketen und der Rotor weist 10 Magnete auf, wobei eine Zweischichtwicklung vorliegt, mit zwei voneinander getrennten Teilwicklungen,
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9 einen Querschnitt der Elektromaschine der 8 mit einem Ständer 3 und einem Rotor 7,
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10 ein Wickelschema einer Elektromaschine in einer 12/10-Topologie, d.h. der Stator umfasst 12 Statorzähne/Statornuten mit 6 Windungspaketen und der Rotor weist 10 Magnete auf, wobei eine Einschichtwicklung vorliegt, mit zwei voneinander getrennten Teilwicklungen,
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11 einen Querschnitt der Elektromaschine der 10 mit einem Ständer 3 und einem Rotor 7,
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12 eine typische Anordnung der Windungen zu einem Windungspaket als Zahnspule, die um einen Statorzahn gewickelt ist,
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13 eine erfindungsgemäße Anordnung der Windungen einer Zahnspule, wobei das Windungspaket zweigeteilt in zwei Bereiche bzw. Kammern und voneinander isoliert ist, um einen Kurzschluss des kompletten Windungspakets konstruktiv auszuschließen,
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14 eine weitere erfindungsgemäße Anordnung der Windungen einer Zahnspule, wobei die Windungen innerhalb zweier Bereiche bzw. Kammern verteilt angeordnet sind,
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15 drei Kurven von Bremsmomenten bei jeweils einem Windungskurzschluss über der Drehzahl eines entsprechenden Elektromotors, wobei bei der ersten Kurve 14 keine Aufteilung der Zahnspule vorliegt und die komplette Zahnspule kurzgeschlossen ist und bei der zweiten Kurve 15 eine Zweiteilung der Zahnspule in zwei Kammern und alle Windungen einer Kammer kurzgeschlossen sind und bei der dritten Kurve 16 eine Dreiteilung der Zahnspule in drei Kammern vorliegt und alle Windungen einer Kammer kurzgeschlossen sind.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt eine zweifache 3-phasige Brückenschaltung 1, 2 zur Ansteuerung zweier Wicklungen 4, 5 eines Stators 3 eines Elektromotors. Der elektrische Antrieb ist daher redundant, und zwar zweifach, ausgebildet. Die beiden Statorwicklungen 4, 5 sind auf demselben Stator 3 einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Elektromotors, gewickelt. Der Antrieb weist daher zwei identische Teilantriebe mit zwei Wicklungssystemen auf. Hierdurch ergibt sich ein fehlertoleranter Antrieb, da bei Ausfall eines Teilantriebs noch der zweite Teilantrieb zur Verfügung steht. Als anzusteuernder elektrischer Motor wird typischerweise ein Asynchronmotor oder ein permanenterregter Synchronmotor verwendet.
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2 zeigt den zweifach ausgebildeten, und daher fehlertoleranten Antrieb, wobei Phasentrennungen 22 vorgesehen sind, um bei Defekten der Ansteuerung ein Blockieren des Elektromotors vermeiden zu können.
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3 zeigt den typischen Verlauf des mittleren Bremsmoments bei Kurzschluss einer kompletten Zahnspule eines Elektromotors. Es ergeben sich insbesondere bei kleinen Drehzahlen des Elektromotors hohe Bremsmomente, was für die Verwendung in einem Lenksystem eines Fahrzeugs nachteilig ist.
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4 zeigt ein Wickelschema einer Elektromaschine in 12/8-Topologie mit einer Zweischichtwicklung mit zwei voneinander getrennten Teilwicklungen, d.h. das Wicklungssystem des Motors ist auf 12 Statornuten aufgeteilt und der Rotor enthält eine Permanentmagneterregung mit 8 Magnetpolen. Aufgrund der ganzzahligen Statornutzahl und des symmetrischen Wicklungsaufbaus eignet sich diese Topologie für die Bewicklung mit zwei getrennten, d.h. redundanten Wicklungssystemen. Die Wicklungen sind in Stern verschaltet. Die einzelnen Spulen einer Phase sind in Serie verschaltet.
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5 zeigt den Statorquerschnitt der Elektromaschine der 4 mit Zahnspulen in Statornuten 17 und den Phasenanschlüssen U1, V1, W1, U2, V2, W2.
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6 zeigt ein Wickelschema einer Elektromaschine in 12/8-Topologie mit einer Einschichtwicklung mit zwei voneinander getrennten Teilwicklungen. Werden die Anschlussleitungen, die Verbindungsleitungen zwischen den Spulen und die Sternpunkte entsprechend isoliert, lassen sich damit Kurzschlüsse außerhalb der Zahnspulen verhindern.
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7 zeigt einen Stator- und Rotorquerschnitt des Elektromotors der 6, wobei die Spulenanschlüsse U1, V1, W1, U2, V2, W2 angegeben sind.
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8 zeigt ein weiteres Wickelschema einer Elektromaschine.
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9 zeigt den Statorquerschnitt der Elektromaschine der 8, bei dem Zahnspulen in Statornuten 17 und die Phasenanschlüsse U1, V1, W1, U2, V2, W2 dargestellt sind.
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10 zeigt ein Wickelschema einer Elektromaschine in 12/10-Topologie mit einer Einschichtwicklung mit zwei voneinander getrennten Teilwicklungen. Werden die Anschlussleitungen, die Verbindungsleitungen zwischen den Spulen und die Sternpunkte isoliert können Kurzschlüsse außerhalb der Zahnspulen verhindert werden.
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11 zeigt den Statorquerschnitt der Elektromaschine der 10 bei dem die Zahnspulen in Statornuten 17 und die Phasenanschlüsse U1, V1, W1, U2, V2, W2 dargestellt sind.
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12 zeigt eine typische Anordnung der Windungen 8, 9 einer Zahnspule in einer Statornut 17 bei einer Einschichtwicklung. Es sind Isolierungen 24 der Windungspakete gegenüber dem Stator 3 vorgesehen. Alle Windungen der Zahnspule befinden sich in einer Spulenkammer. Die Statorwicklungen sind in Statornuten 17 entlang des Umfangs des Stators der Elektromaschine verteilt. Für elektrische Servolenksysteme werden typischerweise Asynchronmotoren oder permanentmagneterregte Synchronmotoren (PMSM) eingesetzt. Bei einem permanentmagneterregten Synchronmotor werden zur Vermeidung von Kurzschlüssen innerhalb des Wicklungssystems bevorzugt Zahnspulenwicklungen verwendet. D.h. die Windungen einer Spule sind um die Statorzähne 23 angeordnet. Die Wicklung kann als Zweischichtwicklung oder als Einschichtwicklung ausgeführt sein. Bei einer Zweischichtwicklung ist jeder Statorzahn 23 bewickelt, folglich sind in einer Statornut 17 zwei benachbarte Wicklungen enthalten. Die Einschichtwicklung bietet für die Anwendung als redundanten bzw. fehlertoleranten Antrieb den Vorteil, dass eine magnetische Entkopplung von benachbarten Wicklungen besteht. Treten Fehler oder Defekte in der Elektronik einer Ansteuerung auf, so kann durch eine Phasentrennung zwischen den Endstufenhalbbrücken der ECU und dem Motor ein Blockieren eines entsprechenden Elektromotors verhindert werden. Bei fehlertoleranten redundanten Antrieben kann bei jedem Teilantrieb eine Phasentrennung oder Sternpunktauftrennung vorgesehen sein.
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13 zeigt Nuten 17 zur Aufnahme von Windungen 10, 11, wobei erfindungsgemäß die Nuten 17 in zwei Bereiche/Kammern 18, 19 durch Isolierungen 25 unterteilt sind. Hierdurch kann der Kurzschluss eines kompletten Windungspakets konstruktiv verhindert werden. Es ergibt sich bei einem Kurzschluss der Windungen in einem Bereich/einer Kammer das Verschieben des Maximums des mittleren Bremsmomentes hin zu größeren Drehzahlen.
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14 zeigt eine alternative Ausführungsform der Erfindung. Es ist eine Zahnspule einer Einschichtwicklung dargestellt, bei der beispielsweise die Windungen 12, 13 der Zahnspule in zwei Spulenbereiche/Kammern 20, 21 durch Isolierungen 26 unterteilt sind. Hierdurch erfolgt eine Isolierung von Abschnitten eines Windungspakets, wodurch der Kurzschluss des kompletten Windungspakets konstruktiv ausgeschlossen werden kann.
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Die Zähne 23 können dabei einzeln bewickelt und anschließend zu einem Stator 3 zusammengesetzt werden.
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15 zeigt die mittleren Bremsmomente bei einem kompletten Kurzschluss der Windungen einer Zahnspule. Eine erste Kurve 14 stellt das mittlere Bremsmoment bei Kurzschluss der ganzen Zahnspule dar, wobei sich die Windungen der Zahnspule in einer einzigen Kammer befinden. Durch die Anordnung in nur einer Kammer ist ein kompletter Kurzschluss konstruktiv nicht ausschließbar. Die Situation ist anders, falls die Windungen einer Zahnspule in zwei, drei oder mehr Kammern verteilt sind. Die Kurve 15 zeigt eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform, wobei eine Zweiteilung der Statornuten vorgenommen wird. Ein möglicher Kurzschluss betrifft daher nur einen isolierten Spulenbereich bzw. eine von zwei Kammern und damit nur eine halbe Zahnspule. Kurve 16 zeigt das mittlere Bremsmoment bei Kurzschluss eines Drittels einer Zahnspule. Diese erfindungsgemäße Ausführungsform realisiert eine Dreiteilung des entsprechenden Windungspakets. D.h. die Windungen der jeweiligen Zahnspule befinden sich in drei Kammern. Ein möglicher Kurzschluss betrifft daher nur einen isolierten Spulenbereich bzw. eine Kammer.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung verschiebt das Maximum des entstehenden mittleren Bremsmomentes bei einem möglichen Kurzschluss innerhalb einer Zahnspule zu größeren Drehzahlen hin. Vorteilhaft am Verschieben der durch einen Kurzschluss sich ergebenden Bremsmomente zu hohen Drehzahlen ist die bessere Eignung des entsprechenden Elektromotors als Servomotor eines Lenksystems eines Fahrzeugs. Hierzu werden die Windungen der jeweiligen Zahnspulen in zwei oder mehreren Spulenbereichen unterteilt, die voneinander isoliert sind. Hierdurch kann konstruktiv sichergestellt werden, dass bei einem Kurzschluss nur Teile eines Spulenpaktes innerhalb einer Nut kurzgeschlossen werden.
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Es sei angemerkt, dass der Begriff „umfassen“ weitere Elemente oder Verfahrensschritte nicht ausschließt, ebenso wie der Begriff „ein“ und „eine“ mehrere Elemente und Schritte nicht ausschließt.
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Die verwendeten Bezugszeichen dienen lediglich zur Erhöhung der Verständlichkeit und sollen keinesfalls als einschränkend betrachtet werden, wobei der Schutzbereich der Erfindung durch die Ansprüche wiedergegeben wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- 3-phasige Brückenschaltung
- 2
- 3-phasige Brückenschaltung
- 3
- Stator
- 4
- Statorwicklungen
- 5
- Statorwicklungen
- 6
- Kurve des Bremsmoments bei Kurzschluss über die Drehzahl bei einer ungeteilten Nut zur Aufnahme von Windungen
- 7
- Läufer/Rotor
- 8
- Windungen des Stators
- 9
- Windungen des Stators
- 10
- Windungen des Stators eines erfindungsgemäßen Bereichs einer Nut, wobei eine parallele Unterteilung vorgenommen wird
- 11
- Windungen des Stators eines erfindungsgemäßen Bereichs einer Nut, wobei eine parallele Unterteilung vorgenommen wird
- 12
- Windungen des Stators eines erfindungsgemäßen Bereichs einer Nut, wobei eine senkrechte Unterteilung vorgenommen wird
- 13
- Windungen des Stators eines erfindungsgemäßen Bereichs einer Nut, wobei eine senkrechte Unterteilung vorgenommen wird
- 14
- Kurve des Bremsmoments bei Kurzschluss über der Drehzahl bei einer ungeteilten Nut zur Aufnahme von Windungen
- 15
- Kurve des Bremsmoments bei Kurzschluss über der Drehzahl bei einer zweigeteilten Nut zur Aufnahme von Windungen
- 16
- Kurve des Bremsmoments bei Kurzschluss über der Drehzahl bei einer dreigeteilten Nut zur Aufnahme von Windungen
- 17
- Nut des Stators zur Aufnahme von Windungen bzw. einer Zahnspule
- 18
- erfindungsgemäßer Bereich/Kammer
- 19
- erfindungsgemäßer Bereich/Kammer
- 20
- erfindungsgemäßer Bereich/Kammer
- 21
- erfindungsgemäßer Bereich/Kammer
- 22
- Phasentrennung
- 23
- Statorzahn
- 24
- Isolierung
- 25
- erste erfindungsgemäße Isolierung
- 26
- zweite erfindungsgemäße Isolierung
- 27
- Isolierung
- CZK
- Zwischenkreiskondensator
- M
- Bremsmoment
- n
- Drehzahl
- U1
- Phasenanschluss U einer ersten Statorwicklung
- U2
- Phasenanschluss U einer zweiten Statorwicklung
- V1
- Phasenanschluss V einer ersten Statorwicklung
- V2
- Phasenanschluss V einer zweiten Statorwicklung
- W1
- Phasenanschluss W einer ersten Statorwicklung
- W2
- Phasenanschluss W einer zweiten Statorwicklung
