DE102018200690A1

DE102018200690A1 - Betriebsverfahren für einen elektronisch kommutierten Motor, Steuereinheit, Vorrichtung und Arbeitsvorrichtung

Info

Publication number: DE102018200690A1
Application number: DE102018200690.3A
Authority: DE
Inventors: Peter Schenk; Ingo Immendoerfer; Ingmar Burak; Benjamin Henke
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-01-17
Filing date: 2018-01-17
Publication date: 2019-07-18
Also published as: WO2019141428A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren für einen elektronisch kommutierten Motor (10) einer Vorrichtung (100) und/oder einer Pumpe (101), mit einem Antriebsbetriebsmodus, in welchem der Motor (10) mit einer Antriebsbetriebsspannung als Betriebsspannung zum Verrichten mechanischer Arbeit beaufschlagt wird, und mit einem Heizbetriebsmodus, in welchem der Motor (10) mit einer Heizbetriebsspannung als Betriebsspannung zum Heizen und ohne ein Verrichten mechanischer Arbeit beaufschlagt wird, wobei durch Beaufschlagen mit der Heizbetriebsspannung in einer Wicklung im Motor (10) ein hochfrequenter elektrischer Wechselstrom und infolge ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld erzeugt werden.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren für einen elektronisch kommutierten Motor, eine Steuereinheit zum Steuern des Betriebs eines elektronisch kommutierten Motors, eine Vorrichtung mit einem elektronisch kommutierten Motor sowie eine Arbeitsvorrichtung und insbesondere ein Fahrzeug.
Bei vielen Arbeitsvorrichtungen und insbesondere im Bereich der Fahrzeugtechnik werden Vorrichtungen eingesetzt, die auf dem Betrieb eines elektronisch kommutierten Motors beruhen. Dabei ist der Betrieb derartiger Vorrichtungen und ihrer zu Grunde liegenden Motoren davon abhängig, dass ein bestimmter Betriebstemperaturbereich eingehalten wird. Dies ist insbesondere bei Pumpen als Vorrichtungen von hoher Relevanz, weil ein Unterschreiten des Betriebstemperaturbereichs zu einem Einfrieren der zu Grunde liegenden Vorrichtung wegen des Erstarrens des geförderten Mediums führen kann.
Die DE 10 2010 035 039 A1 beschreibt eine Pumpe mit einem Elektromotor sowie ein Verfahren zum Einschalten einer derartigen Pumpe, bei welchen es vorgesehen ist, Statorwicklungen des Pumpenmotors in einem Heizmodus derart anzusteuern, dass durch Ohmsche Verluste die Pumpe beheizbar ist.
Die DE 10 2012 206 822 A1 beschreibt ein Verfahren zur Erwärmung eines Fluids mittels eines Steuergeräts zur Ansteuerung eines bürstenlosen Gleichstrommotors bei einer Pumpe oder dergleichen.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren für einen elektronisch kommutierten Motor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass mit einfachen Mitteln und ohne apparativen Mehraufwand ein besonders zuverlässiges Erwärmen eines elektronisch kommutierten Motors und einer zu Grunde liegenden Vorrichtung erreicht werden kann. Dies wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch erreicht, dass ein Betriebsverfahren für einen elektronisch kommutierten Motor oder für einen bürstenlosen Gleichstrommotor einer Vorrichtung und insbesondere einer Pumpe geschaffen wird, mit einem Antriebsbetriebsmodus, in welchem der Motor mit einer Antriebsbetriebsspannung als Betriebsspannung zum Verrichten mechanischer Arbeit beaufschlagt wird, und mit einem Heizbetriebsmodus, in welchem der Motor mit einer Heizbetriebsspannung als Betriebsspannung zum Heizen ohne Verrichten mechanischer Arbeit beaufschlagt wird, wobei durch Beaufschlagen mit der Heizbetriebsspannung in einer Wicklung oder in mehreren Wicklungen des Motors ein hochfrequenter elektrischer Wechselstrom und infolge ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld erzeugt werden. Auf Grund des erzeugten hochfrequenten magnetischen Wechselfeldes werden neben den Ohmschen Verlusten in der den Strom tragenden Wicklung des Motors in der Umgebung der Wicklung und insbesondere in zumindest teilweise elektrisch leitfähigen Umgebungsmaterialien auf Grund des Wechselcharakters des magnetischen Feldes Wirbelströme induziert, die auf Grund entsprechender Verluste einen weiteren Wärmeeintrag bewirken, so dass insgesamt eine bessere und/oder schnellere Durchwärmung erreicht wird.
Vorangehend und nachfolgend wird unter einem elektrisch oder elektronisch kommutierten Motor ein Synchronmotor verstanden, welcher mittels einer Umrichterelektronik angesteuert und betrieben wird. Ein derartiger Motor wird auch als EC-Motor (EC : englisch für „electronic commutation“) bezeichnet. Da bei einem derartigen Motor die für die Kommutierung bei konventionellen Gleichstrommotoren notwendigen Bürsten fehlen, wird ein derartiger Motor auch als auch als BLDC-Motor (BLDC : englisch für „brushless direct current“) oder manchmal missverständlich auch als bürstenloser Gleichstrommotor bezeichnet. Da häufig der Rotor eines derartigen Motors aus einer Anordnung von Permanentmagneten besteht, findet sich auch der Begriff PM-Motor (PM : englisch für „permanent magnet“) als Bezeichnung für einen elektronisch kommutierten Motor. Der Stator besteht in diesem Zusammenhang aus mehreren Magnetspulen und wird mehrphasig und insbesondere dreiphasig ausgeführt. Die Kommutierung erfolgt elektrisch oder elektronisch von den entsprechend mehrphasigen und insbesondere dreiphasigen Spulensträngen aus und z.B. unter Verwendung einer entsprechenden Brückenschaltung. EC-Motoren sind in ihrer Drehzahl einstellbar und eignen sich z.B. zur Drehzahlregelung von Antrieben von Pumpenanordnungen oder dergleichen.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Um den Wechselstromcharakter des elektrischen Stroms und damit Wechselfeldcharakter des erzeugten magnetischen Feldes zu garantieren, ist es gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens vorgesehen, dass der hochfrequente elektrische Wechselstrom mit einer Frequenz im Bereich von einer minimalen Frequenz fmin bis zu einer maximalen Frequenz fmax erzeugt wird, insbesondere durch entsprechende Wahl von Amplitude und/oder Frequenz der Heizbetriebsspannung. Dabei werden die minimale und maximale Frequenz so gewählt, dass in diesen Bereichen auf Grund des dem Motor zu Grunde liegenden Netzwerks und insbesondere auf Grund der induktiven Last ein „gleichrichtender“ Charakter noch nicht manifest wird.
Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens sind die minimale Frequenz fmin und die maximale Frequenz fmax als Werte von Funktionen f1, f2 von der effektiven Stromanstiegszeit Anstiegszeit τ_eff, der effektiven Induktivität Leff, und/oder des effektiven Ohmschen Widerstands Reff eines durch den elektronisch kommutierten Motor gegebenen Netzwerks definiert und/oder gegeben, insbesondere also durch die induktive Last des Motors.
Dabei sind insbesondere die folgenden Beziehungen (A) und (B) erfüllt: $f_{min} = f1 (τ_{eff}, L_{eff}, R_{eff}) = 1 / (2 π \cdot τ_{eff}),$
$f_{max} = f2 (τ_{eff}, L_{eff}, R_{eff}) = 1 / (4 τ \cdot arctanh (i_{max} \cdot R_{eff} {/u}_{max})) \leq 1 / ((4 τ) \cdot (u_{max} {/i}_{max} \cdot R_{eff}),$
wobei u_max und imax die Spannungsamplitude und die Stromamplitude bezeichnen und noch die Beziehung (C) $τ_{eff} = L_{eff} {/R}_{eff}$
für die effektive Stromanstiegszeit τ_eff gilt.
Dabei kann es insbesondere vorgesehen sein, dass gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens ein hochfrequenter elektrischer Wechselstrom mit einer Frequenz im Bereich von etwa 1 kHz bis etwa 6 kHz erzeugt wird.
Dies kann zum Beispiel auf der Grundlage einer Heizbetriebsspannung in Form einer hochfrequenten Wechselspannung mit einer entsprechenden Frequenz und einer gegebenenfalls geeignet gewählten Amplitude erreicht werden.
Als erregende Heizbetriebsspannung kann eine sinusförmige oder eine rechteckförmige Heizbetriebsspannung als Betriebsspannung für den Heizbetriebsmodus verwendet werden. Grundsätzlich sind für den erfindungsgemäßen Einsatz sämtliche Heizbetriebsspannungen mit Wechselspannungscharakter denkbar.
Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn die jeweilige Heizbetriebsspannung als Betriebsspannung und/oder der damit erzeugte jeweilige hochfrequente elektrische Wechselstrom ihr Vorzeichen wechseln.
Für eine besonders gute und gleichmäßige Durchwärmung ist es besonders geeignet bei einem Mehrphasenmotor im Heizbetriebsmodus eine Mehrzahl von Phasen des elektronisch kommutierten Motors einzeln oder gruppenweise vom hochfrequenten elektrischen Wechselstrom zu beaufschlagen.
Dabei können zur weiteren Steigerung einer gleichmäßigen Erwärmung im Laufe einer vorgegebenen Zeitspanne mehrere, die meisten oder sämtliche Phasen des elektronisch kommutierten Motors zumindest temporär mit dem hochfrequenten Wechselstrom beaufschlagt werden. Dabei wird angenommen, dass die Leiter oder Wicklungen zu unterschiedlichen Phasen auch räumlich zu einander unterschiedlich gelagert und angeordnet sind, so dass sich mit der Erregung unterschiedlicher Phasen eine größere räumliche Verteilung des Wärmeeintrags einstellt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird auch eine Steuereinheit zum Steuern des Betriebs eines elektronisch kommutierten Motors oder eines bürstenlosen Gleichstrommotors einer Vorrichtung und insbesondere einer Pumpe geschaffen. Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Betriebsverfahren zu steuern, auszuführen oder in seiner Ausführung zu veranlassen oder mit einem derartigen Betriebsverfahren verwendet zu werden.
Eine erfindungsgemäße Steuereinheit kann zum Beispiel als Teil eines übergeordneten Motorsteuergeräts eines Antriebsaggregates und dergleichen ausgebildet sein.
Alternativ dazu ist es denkbar, dass die Steuereinheit separat zu einem übergeordneten Motorsteuergerät ausgebildet ist und insbesondere mit diesem zusammen wirkt.
Ferner ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung auch eine Vorrichtung mit einem elektronisch kommutierten Motor und mit einer erfindungsgemäßen Steuereinheit zur Steuerung des Betriebs des elektronisch kommutierten Motors.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann als Pumpe, als Kraftstoffpumpe für einen Verbrennungsmotor und/oder als Wassereinpumpe in einem Wassereinspritzsystem für einen Verbrennungsmotor oder als Teil davon ausgebildet sein.
Ferner werden durch die vorliegende Erfindung auch eine Arbeitsvorrichtung und insbesondere ein Fahrzeug geschaffen. Die erfindungsgemäße Arbeitsvorrichtung ist mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung als Aggregat ausgebildet.
Figurenliste
Unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben.

1 und 2 zeigen schematisch den Aufbau einer Wassereinspritzung, welche im Zusammenhang mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens betrieben werden kann.
3 zeigt schematisch einen Aufbau einer Wasserdirekteinspritzung, welche mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens betrieben werden kann.
4 zeigt schematisch nach Art eines Blockdiagramms ein Teilsystem für eine Pumpenansteuerung, welches auf der Grundlage der erfindungsgemäßen Prinzipien aufgebaut sein und betrieben werden kann.
5A und 5B zeigen Graphen mit dem zeitlichen Verlauf einer Heizbetriebsspannung und einen sich ergebenden hochfrequenten Strom in der Wicklung eines zu Grunde liegenden elektronisch kommutierten Motors.
6 zeigt schematisch eine Ansteuereinheit als Teil einer übergeordneten Steuereinheit.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 Ausführungsbeispiele der Erfindung und der technische Hintergrund im Detail beschrieben. Gleiche und äquivalente sowie gleich oder äquivalent wirkende Elemente und Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und Komponenten wiedergegeben.
Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form voneinander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.
Die 1 und 2 zeigen schematisch den Aufbau einer Wassereinspritzung - aufgefasst als erfindungsgemäß ausgestaltete Vorrichtung 100 - welche im Zusammenhang mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens betrieben werden kann.
In 1 ist eine übergeordnete erfindungsgemäße Arbeitsvorrichtung 1 dargestellt. Diese kann zum Beispiel ein Fahrzeug sein. In dieser erfindungsgemäßen Arbeitsvorrichtung 1 ist im Zusammenhang mit einem Wasserbehälter 108 und einer Anordnung aus Versorgungsleitung 102 mit Filter 109 und weiterführender Druckleitung 103 eine erfindungsgemäße Vorrichtung 100 mit einem elektronisch kommutierten Motor 10 zum Beispiel nach Art einer allgemeinen Pumpe 101 oder speziell einer Wassereinpumpe ausgebildet.
Die Vorrichtung 100 mit dem elektronisch kommutierten Motor 10 wird über eine Erfassungs- und Steuerleitung 21 mittels einer erfindungsgemäß ausgebildeten Steuereinheit 20 gesteuert. Die Steuereinheit 20 ist dazu eingerichtet, den elektronisch kommutierten Motor 10 zu einem erfindungsgemäßen Betrieb zu veranlassen und zu steuern.
An der in 1 dargestellten Druckleitung 103 ist ein Verteiler 104 für eine Mehrzahl von Wassereinspritzventilen oder allgemeinen Ventilen ausgebildet. Der Verteiler 104 wird auch als Rail bezeichnet.
Bei der Arbeitsvorrichtung 1 gemäß der Ausführungsform aus 2 ist im Detail dargestellt, dass das Ventil oder Wassereinspritzventil 105 in einem Saugrohr 106 eines Verbrennungsmotors mit Brennraum 107 angeordnet ist.
3 zeigt schematisch den Aufbau einer Arbeitsvorrichtung 1 mit Wasserdirekteinspritzung, welche mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens betrieben werden kann.
In Abwandlung der in 1 dargestellten Anordnung ist in Fortführung der Druckleitung 103 eine Abfolge aus Hochdruckpumpe 111, Kraftstoffhochdruckleitung 113 und Kraftstoffverteilerohr 114 für einen oder eine Mehrzahl von Hochdruckinjektoren 115 zur Beschickung eines Brennraums 107 ausgebildet. Während die Druckleitung 103 mit dem darin ausgebildeten Dosierventil 110 der Zufuhr von Wasser aus dem Tank 108 dient, wird über eine zusätzliche Kraftstoffversorgungsleitung 112 die Hochdruckpumpe 111 mit Kraftstoff beschickt, wodurch stromabwärts von der Hochdruckpumpe 111 ein Kraftstoff-Wassergemisch zur Speisung des Verteilers 114 vorliegt.
4 zeigt schematisch nach Art eines Blockdiagramms ein Teilsystem für eine Pumpenansteuerung, welches auf der Grundlage der erfindungsgemäßen Prinzipien aufgebaut und betrieben werden kann.
Eine Steuereinheit 20 ist über eine Erfassungs- und Steuerleitung 21 mit einer Vorrichtung 100 und insbesondere einer Pumpe 101 und deren Motor 10 im Sinne eines elektronisch kommutierten Motors verbunden. Die Pumpe 101 ist eingangsseitig wieder mit einer Versorgungsleitung 102 und ausgangsseitig mit einer Druckleitung 103 verbunden.
In der in 4 gezeigten Darstellung ist die Steuereinheit 20 zum Beispiel einem Motorsteuergerät 30 nachgeordnet und mit diesem über eine Schnittstelle 31 gekoppelt und wirkverbunden.
Optional kann die Steuereinheit 20 auch als Teil einer übergeordneten Steuereinheit 35 ausgebildet sein, zum Beispiel auch als Teil eines Motorsteuergeräts.
Die 5A und 5B zeigen Graphen 50 und 60 mit dem zeitlichen Verlauf einer Heizbetriebsspannung U(t) und eines sich ergebenden hochfrequenten Stroms I(t) in der Wicklung eines zu Grunde liegenden elektronisch kommutierten Motor 10. Zu erkennen ist, dass aufgrund der Amplitude und der Frequenz der sich zeitlich ändernden Spannung U(t) ein entsprechender Wechselstrom I(t) in der jeweils beaufschlagten Wicklung des elektronisch kommutierten Motors 10 entsteht, wodurch ein entsprechendes magnetisches Wechselfeld erzeugt wird, welches in der Umgebung in entsprechenden Materialien zu Wirbelstromverlusten und einer entsprechenden Erwärmung führt.
In den Graphen 50 und 60 der 5A und 5B ist auf den Abszissen 51 bzw. 61 die Zeit aufgetragen. Die Ordinaten 52 und 62 tragen die Spannung U(t) bzw. den Strom I(t); die jeweiligen Spuren 53 bzw. 63 zeigen den zeitlichen Verlauf von Spannung U(t) bzw. Strom I(t).
6 zeigt schematisch eine Ansteuereinheit 200 als Teil einer übergeordneten Steuereinheit 100 für eine erfindungsgemäße Vorrichtung 100, zum Beispiel einer Pumpe 101, welche mit einem elektronisch kommutierten Motor 10 ausgebildet ist. Die Ansteuereinheit 200 besteht im Wesentlichen aus einer B6-Brücke mit drei Halbbrücken 201, 202 und 203, welche mit ersten bis dritten Strängen des elektronisch kommutierten Motors 10 und also mit entsprechenden Phasen verbunden ist.
Über die Abgriffe 211 und 212 am Shunt 213 kann eine Strommessung erfolgen.
In den den drei Phasen zugeordneten Wicklungen des elektronisch kommutierten Motors 10 entstehen - über die jeweiligen Halbbrücken 201 bis 203 angeregt - die jeweils erregenden Ströme I1 bis I3 mit entsprechenden Magnetfeldern.
Diese und weitere Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden an Hand der folgenden Darlegungen weiter erläutert:
Im Zusammenhang mit den 1 bis 3 ist als eine mögliche Anwendung des erfindungsgemäßen Konzepts ein prinzipieller Aufbau eines Systems zur Wassereinspritzung als eine mögliche Maßnahme zur Reduktion der Klopfneigung und zur Senkung der Abgastemperaturen - aufgefasst erfindungsgemäße Vorrichtung 10 - gezeigt. Die Einspritzung von Wasser kann direkt in den Brennraum oder in den Ansaugtrakt des Motors erfolgen.
Ein derartiges System 10 zur Wassereinspritzung umfasst einen Wassertank 108 zur Speicherung und Bereitstellung von Wasser, eine Pumpe 101 im Sinne einer erfindungsgemäßen Arbeitsvorrichtung 100 mit elektronisch kommutiertem Motor 10 zur Förderung und zum Druckaufbau, einen Verteiler 104 oder ein Rail zur Speicherung und Zuführung des Wassers zu den Injektoren 105 sowie elektrisch betätigte Injektoren 105 als solche, welche zur Einspritzung des Wassers in das Saugrohr bzw. vor die Einlassventile - gemäß 1 - oder in den Brennraum 107 - gemäß 3 ausgebildet sind.
Die Druckregelung erfolgt wahlweise über die Drehzahl der Pumpe 101 in Kombination mit einem Drucksensor, über eine Blende in Kombination mit einem Drucksensor oder mittels eines mechanisch oder elektrisch betätigbaren Druckreglers oder Druckbegrenzers, optional in Kombination mit einem Drucksensor.
Eine Besonderheit eines Wassereinspritz- oder WI-Systems im Sinne einer erfindungsgemäßen Arbeitsvorrichtung 100 ist die Gefahr einer Vereisung der wasserführenden Komponenten, die sich auf Grund des verwendeten Mediums Wasser mit einem Gefrierpunkt im Bereich von 0° ergibt.
Um das System auch bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes betreiben zu können bzw. um ein bereits eingefrorenes System möglichst schnell durch Auftauen reaktivieren zu können, ist im Allgemeinen eine Heizung erforderlich.
Für ein schnelles Aufheizen des Systems sind dabei eine möglichst große Heizleistung und eine gleichmäßige Verteilung des Wärmeeintrags erforderlich.
Obwohl die vorliegende Erfindung grundsätzlich bei sämtlichen mit einem Elektromotor 10 betriebenen Vorrichtungen 100 einsetzbar ist, betrachtet die nachfolgende Darstellung insbesondere das Aufheizen einer Wasserpumpe 101.
Durch Ausnutzung der internen elektrischen Verluste im zu Grunde liegenden Elektromotor 10 im Allgemeinen und im Pumpenmotor im Speziellen kann eine elektrische Pumpe 101 und ein Antriebsmotor 10 im allgemeinen auch ohne zusätzliche externe Heizung erwärmt werden.
Das Motor- und/oder Pumpensteuergerät 20 steuert den Motor 10 oder die Pumpe 101 herkömmlicherweise dabei so an, dass ein zeitlich konstanter Strom in den jeweiligen Spulenwicklungen des Antriebsmotors 10 oder Pumpenmotors fließt, dabei aber kein magnetisches Wechsel- oder Drehfeld erzeugt wird, d.h. ohne ein Verrichten mechanischer Arbeit.
Es entstehen also Ohmsche Verluste in den Spulenwicklungen des jeweiligen Motors 10 und insbesondere Pumpenmotors, welche den Motor 10, die umgebende Vorrichtung 100 und insbesondere die Pumpe 101 erwärmen, ohne dass es zu einem mechanischen Antrieb des Motors 10 und damit der Vorrichtung 100 kommt.
Limitierend für die einsetzbare Heizleistung sind beim bisherigen Vorgehen die starke lokale Erwärmung der Spulen und die Begrenzung des maximal zulässigen Stroms durch das Steuergerät.
Die vorliegende Erfindung verbessert ein derartiges Heizverfahren im Hinblick auf eine höhere Heizleistung und hinsichtlich eines gleichmäßigeren Wärmeeintrags.
Die vorliegende Erfindung beschreibt somit auch ein Verfahren zum Aufheizen einer elektrischen Wasserpumpe 101 unter Verwendung des Pumpensteuergeräts 20, wobei erfindungsgemäß gegenüber bekannten Verfahren eine höhere Heizleistung und ein gleichmäßigerer Wärmeeintrag durch Beheizung eines größeren Volumens - zum Beispiel eines Blechpakets des zu Grunde liegenden elektronisch kommutierten Motors - erzielt werden. Dies ermöglicht erfindungsgemäß ein schnelleres Aufheizen des Motors 10, der umgebenden Vorrichtung 100 und insbesondere einer Pumpe 101 und folglich eine frühere Betriebsbereitschaft des Systems bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes.
Ein beispielhaft betrachtetes Teilsystem kann aus einer elektrischen Wasserpumpe 101, die auch als BLDC-Pumpe - d.h. mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor 10 betrieben - ausgeführt sein kann, einem Pumpensteuergerät 20 sowie einem übergeordneten Steuergerät 30, 35, im hier betrachteten Fall dem Motorsteuergerät, bestehen, wie dies im Zusammenhang mit 4 dargestellt ist.
Im Normalbetrieb steuert das Pumpensteuergerät 20 den Pumpenmotor 10 so an, dass ein Drehmoment zum Betrieb der Pumpe 101 erzeugt wird.
Hierbei sind verschiedene Verfahren oder Betriebsweisen möglich. Denkbar ist dabei ein drehzahlgeregelter Betrieb des Motors 10 und insbesondere der zu Grunde liegenden Pumpe 101.
Im so genannten Heizbetrieb steuert das Pumpensteuergerät 20 den Motor 10 und die Pumpe 101 erfindungsgemäß so an, dass ein hochfrequenter elektrischer Strom in den Spulenwicklungen des Motors 10 oder Pumpenmotors erzeugt wird.
Dies kann z.B. durch hochfrequente rechteckförmige oder sinusförmige Spannungsverläufe in der Versorgungsspannung erreicht werden. Beispielhafte Spannungs- und Stromverläufe sind in den 5A und 5B dargestellt.
Der durch das Zuführen der Spannung so erzeugte Wechselstrom in den Spulenwicklungen induziert ein ebenfalls hochfrequentes magnetisches Wechselfeld. Dieses induziert schließlich seinerseits Wirbelströme in sämtlichen Materialbereichen und insbesondere im Blechpaket des zu Grunde liegenden Motors 10 sowie in weiteren eventuell vorhandenen elektrisch leitfähigen Teilen in der Pumpe 101.
Des Weiteren entstehen im Eisen Hystereseverluste in Folge des Durchlaufens der magnetischen Hystereseschleife.
Die damit im Zusammenhang stehenden Verluste werden als Ummagnetisierungsverluste oder Eisenverluste bezeichnet und wirken insbesondere bei hochfrequenter Anregung.
Der Wärmeeintrag in den Motor 10, die Vorrichtung 100 und insbesondere die Pumpe 101 erfolgt nun zum einen durch Ohmsche Verluste in den Spulenwicklungen des antreibenden Motors 10 sowie erfindungsgemäß durch zusätzliche Eisenverluste im Blechpaket und ggf. weiteren leitfähigen Teilen.
Somit wird erfindungsgemäß ein gleichmäßigerer Wärmeeintrag als bei Verwendung eines konstanten Stroms erzielt. Bei gleicher Erwärmung der Spulenwicklungen kann so eine höhere Gesamtheizleistung erreicht werden.
Die oben beschriebene Erzeugung eines hochfrequenten magnetischen Wechselfelds kann auf unterschiedliche Weise realisiert werden.
Beispielsweise kann ein hochfrequenter Wechselstrom, wie in 5B dargestellt ist, in einer der elektrischen Phasen U, V und W erzeugt werden. Die jeweils bestromten Phasen U, V und W des zu Grunde liegenden Motors 10 können dabei zyklisch durchgewechselt werden, um eine möglichst gleichmäßige Erwärmung zu erzielen. Alternativ kann auch ein magnetisches Drehfeld eingeprägt werden, das alle Phasen U, V und W des Motors gleichzeitig einbezieht.
Die Leistungsendstufe des Pumpensteuergeräts 20 ist typischerweise als Steuereinheit 200 nach Art einer B6-Halbbrückenschaltung ausgeführt, wie dies im Zusammenhang mit 6 gezeigt ist.
Diese kann zur Erzeugung eines hochfrequenten Wechselstroms genutzt werden, indem eine feste Halbbrückenkombination wechselseitig auf den hohen Pegel HIGH und auf den Pegel LOW - z.B. im 3 kHz Takt - umgeschaltet wird, also Halbbrücke 201 zunächst 0,166 ms auf dem hohen Pegel (HIGH), 202 solange auf einem niedrigen Pegel (LOW), dann 201 auf dem niedrigen Pegel (LOW) für 0,166 ms und 202 auf dem hohen Pegel high gehalten werden.
Zur Einstellung der Stromstärke kann dieses Schaltmuster mit einer höherfrequent getakteten Pulsweitenmodulation von z.B. 20 kHz zur Stromregelung überlagert werden.
Alternativ sind auch abweichende Ansteuermuster möglich, denen aber gemein ist, dass sie einen Wechselstrom durch die Motorwicklungen treiben.
Das beschriebene Verfahren ist für BLDC-Motoren 10 unterschiedlicher Bauform anwendbar. Typischerweise sind diese als permanenterregte Synchronmotoren ausgeführt, aber auch Asynchronmotoren sind möglich. Das Verfahren ist dabei für dreisträngige Drehfeldmotoren in Stern- oder Dreieckschaltung anwendbar. Ebenso können auch Motoren mit anderen Strangzahlen als drei verwendet werden. Das beschriebene Verfahren ist darüber hinaus auch für DC-Motoren 10 (Gleichstrommotoren) anwendbar, wenn diese mit einem Steuergerät betrieben werden.
Ein mögliches Beispiel ist hier eine bedarfsgeregelte DC-Kraftstoffpumpe 101. Der Anwendungsbereich des Verfahrens ist nicht auf Pumpen 101 für die Wassereinspritzung beschränkt. Grundsätzlich ist eine Verwendung für alle BLDC- oder DC-Pumpen 101 oder Motoren 10 möglich, wenn eine gezielte Erwärmung der Pumpe 101 oder des Motors 10 im Stillstand gewünscht ist. Ein möglicher Anwendungsfall sind beispielsweise Kraftstoff- und insbesondere Ethanol- oder Dieselpumpen. Das Medium der Pumpe muss dabei nicht notwendiger Weise gefroren sein. Bei ausreichend hoher Frequenz der Anregung und einem geeigneten Ansteuerverfahren (wie oben beschrieben) wird auch bei einer freigängigen Pumpe keine makroskopische Bewegung erzeugt.
Im Folgenden werden nun noch mögliche Varianten der Integration in das Gesamtsystem beschrieben.
In einer Variante sendet das Motorsteuergerät 30 ein Start- und/oder Stoppsignal für den Heizbetrieb an das Pumpensteuergerät 20. Alternativ kann das Pumpensteuergerät 20 eine blockierte und gegebenenfalls festgefrorene Pumpe 101 erkennen und an das Motorsteuergerät 30 melden oder den Heizbetrieb selbstständig starten. Das Ende des Heizbetriebs kann auch durch das Pumpensteuergerät 20 bestimmt werden. Dazu können verschiedene interne Größen - z.B. die bereits vergangene Zeit im Heizbetrieb - oder ein Test der Betriebsbereitschaft herangezogen werden.
Obige Beschreibung der Erfindung konzentriert sich zwar auf Pumpen 101 mit einem dedizierten Pumpensteuergerät 20. Das beschriebene Verfahren ist jedoch in gleicher Weise anwendbar, wenn die Funktionalität des Pumpensteuergeräts 20 in einem anderen Steuergerät 30, 35 (z.B. dem Motorsteuergerät) integriert ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010035039 A1 [0003]
DE 102012206822 A1 [0004]

Claims

Betriebsverfahren für einen elektronisch kommutierten Motor (10) einer Vorrichtung (100) und/oder einer Pumpe (101), - mit einem Antriebsbetriebsmodus, in welchem der Motor (10) mit einer Antriebsbetriebsspannung als Betriebsspannung zum Verrichten mechanischer Arbeit beaufschlagt wird, und - mit einem Heizbetriebsmodus, in welchem der Motor (10) mit einer Heizbetriebsspannung als Betriebsspannung zum Heizen ohne Verrichten mechanischer Arbeit beaufschlagt wird, - wobei durch Beaufschlagen mit der Heizbetriebsspannung in einer Wicklung des Motors (10) ein hochfrequenter elektrischer Wechselstrom und infolge ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld erzeugt werden.
Betriebsverfahren nach Anspruch 1, bei welchem der hochfrequente elektrische Wechselstrom mit einer Frequenz im Bereich von einer minimalen Frequenz bis zu einer maximalen Frequenz und/oder durch entsprechende Wahl von Amplitude und/oder Frequenz der Heizbetriebsspannung erzeugt wird.
Betriebsverfahren nach Anspruch 2, bei welchem die minimale Frequenz fmin und die maximale Frequenz fmax gegeben sind als Werte von Funktionen f1, f2 von der effektiven Stromanstiegszeit τ_eff, der effektiven Induktivität Leff und/oder des effektiven Ohmschen Widerstands Reff eines durch den Motor (10) gegebenen Netzwerks, wobei insbesondere die folgenden Beziehungen (A) und (B) erfüllt sind: $f_{min} = f1 (τ_{eff}, L_{eff}, R_{eff}) = 1 / (2 π \cdot τ_{eff}),$
$f_{max} = f2 (τ_{eff}, L_{eff}, R_{eff}) = 1 / (4 τ \cdot arctanh (i_{max} \cdot R_{eff} {/u}_{max})) \leq 1 / ((4 τ) \cdot (u_{max} {/i}_{max} \cdot R_{eff}),$
und wobei u_max und imax die Spannungsamplitude und die Stromamplitude bezeichnen und noch die Beziehung (C) $τ_{eff} = L_{eff} {/R}_{eff}$
für die effektive Stromanstiegszeit τ_eff gilt.
Betriebsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem ein hochfrequenter elektrischer Wechselstrom mit einer Frequenz im Bereich von etwa 1 kHz bis etwa 6 kHz erzeugt wird und/oder auf der Grundlage einer Heizbetriebsspannung in Form einer hochfrequenten Wechselspannung mit entsprechender Frequenz.
Betriebsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem eine sinusförmige oder eine rechteckförmige Heizbetriebsspannung als Betriebsspannung für den Heizbetriebsmodus verwendet wird.
Betriebsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die Heizbetriebsspannung als Betriebsspannung und/oder der damit erzeugte hochfrequente elektrische Wechselstrom ihr Vorzeichen wechseln.
Betriebsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem bei einem Mehrphasenmotor im Heizbetriebsmodus eine Mehrzahl von Phasen des Motors (10) einzeln oder gruppenweise vom hochfrequenten elektrischen Wechselstrom und/oder zur gleichmäßigen Erwärmung im Laufe einer vorgegebenen Zeitspanne sämtliche Phasen des Motors (10) zumindest temporär mit dem hochfrequenten Wechselstrom beaufschlagt werden.
Steuereinheit (20) zum Steuern des Betriebs eines elektronisch kommutierten Motors (10) einer Vorrichtung (100) und/oder einer Pumpe (101), welche eingerichtet ist, ein Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen oder zu veranlassen oder bei einem derartigen Betriebsverfahren verwendet zu werden.
Steuereinheit (20) nach Anspruch 8, welche als Teil eines übergeordneten Motorsteuergeräts (30) eines Antriebsaggregates oder separat zu einem übergeordneten Motorsteuergerät (30) ausgebildet ist.
Vorrichtung (100) mit einem elektronisch kommutierten Motor (10) und mit einer Steuereinheit (20) nach einem der Ansprüche 8 oder 9 zum Steuern des Betriebs des Motors (10).
Vorrichtung (100) nach Anspruch 10, welche als Pumpe (101), als Kraftstoffpumpe für einen Verbrennungsmotor und/oder als Wasserpumpe für eine Wassereinspritzung in einen Verbrennungsmotor oder als Teil davon ausgebildet ist.
Arbeitsvorrichtung und insbesondere Fahrzeug (1) mit einer Vorrichtung (100) nach Anspruch 10 oder 11.