DE102018214864A1

DE102018214864A1 - Elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102018214864A1
Application number: DE102018214864.3A
Authority: DE
Inventors: Paul Mehringer; Stephan Binhack
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-08-31
Filing date: 2018-08-31
Publication date: 2020-03-05
Also published as: CN110875708A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere eine Klauenpolmaschine. Die Maschine weist einen Stator und einen Rotor auf. Die Maschine weist auch eine - insbesondere mit dem Stator wirkverbundene - Steuereinheit auf, welche ausgebildet ist, die Maschine zum Erzeugen eines Erregerfeldes und zum Erzeugen eines magnetischen Drehfeldes anzusteuern. Die Maschine weist eine mit dem Rotor verbundene H-Brücke zum Erzeugen des Erregerfeldes auf. Erfindungsgemäß ist die Steuereinheit ausgebildet, einen Defekt eines Halbleiterschalters des Inverters zu erfassen und ein den Defekt repräsentierendes Defektsignal zu erzeugen. Die Steuereinheit ist bevorzugt ausgebildet, eine Richtung eines Erregerstroms der Maschine in Abhängigkeit des Defektsignals umzukehren. Die Steuereinheit ist ausgebildet, eine Phasenlage des Statorstromes und so einer Ansteuerung des Stators zum Erzeugen des Drehfeldes der Maschine in Abhängigkeit des Defektsignals zu verändern.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere eine Synchronmaschine oder Klauenpolmaschine. Die Maschine weist einen Stator und einen Rotor auf. Die Maschine weist auch eine - insbesondere mit dem Stator wirkverbundene - Steuereinheit auf, welche ausgebildet ist, die Maschine zum Erzeugen eines Erregerfeldes und zum Erzeugen eines magnetischen Drehfeldes anzusteuern. Die Maschine weist eine mit dem Rotor verbundene H-Brücke zum Erzeugen des Erregerfeldes auf.
Aus der DE 10 2017 101 069 A1 ist eine Steuereinheit für eine elektrische Maschine bekannt, welche ausgebildet ist, in Abhängigkeit eines defekten Halbleiterschalters einer H-Brücke einen Umlaufzustand in der H-Brücke zu unterbinden.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß ist die Steuereinheit ausgebildet, einen Defekt eines Halbleiterschalters des Inverters zu erfassen und ein den Defekt repräsentierendes Defektsignal zu erzeugen. Die Steuereinheit ist bevorzugt ausgebildet, eine Richtung eines Erregerstroms der Maschine in Abhängigkeit des Defektsignals umzukehren. Die Steuereinheit ist ausgebildet, eine Phasenlage des Statorstromes und so einer Ansteuerung des Stators zum Erzeugen des Drehfeldes der Maschine in Abhängigkeit des Defektsignals zu verändern.
Die Maschine kann so vorteilhaft in einem Notlaufbetrieb mit der veränderten Phasenlage und bei im Vergleich zum Normalbetrieb umgekehrten Erregerstrom, und so mit umgekehrt ausgerichtetem, und so umgekehrt gepoltem Magnetfeld im Motorbetrieb weiterbetrieben werden. Es wurde nämlich erkannt, dass bei einem Defekt eines Halbleiterschalters eines Inverters bei einer Klauenpolmaschine der Erregerstrom im Vergleich zu einem motorischen Normalbetrieb abhängig von dem Defekt, in einer dazu umgekehrten, insbesondere invertierten, Richtung geleitet werden kann, so dass das Erregerfeld - und so die magnetischen Pole des Erregerfeldes zu einem Weiterbetrieb der Maschine im Motorbetrieb miteinander vertauscht werden. Aus einem magnetischen Nordpol des Erregerfeldes im Normalbetrieb wird im Defektfall bei umgekehrtem Erregerstrom ein magnetischer Südpol. Die Drehrichtung, insbesondere elektrische Drehrichtung, des Statorfeldes und die veränderte räumliche Lage des Rotorfeldes im Stator, verursacht durch die umgekehrte Polung des Erregerfeldes, verlaufen bei einem Defekt eines Halbleiterschalters, welcher den Rotor bestromt, nach der Stromumkehr zueinander unkorreliert, was zu einem Abstoßen der nun umgekehrten Rotormagnetpole im rotierenden Rotorfeld und folglich einem Abbremsen des Rotors führt. Während der Nordpol des Erregerfeldes im Rotor einem Südpol des rotierenden Statorfeldes folgt und der Nordpol des rotierenden Statorfeldes einen Nordpol des Erregerfeldes abstößt, so kehrt sich diese Korrelation bei umgekehrtem Erregerfeld in eine Abstoßung um, was ein Bremsmoment erzeugt. Die entsprechend veränderte Phasenlage, insbesondere ein elektrischer Phasenwinkel des Statorfeldes, bewirkt, dass das Rotorfeld und das Statorfeld bei umgekehrtem Erregerfeld zueinander korreliert verlaufen, so dass ein Bremsmoment nur während der Feldumkehr des Erregerfeldes wirksam wird. Nach dem Phasenversatz des rotierenden Statorfeldes stehen wieder zueinander entgegengesetzte magnetische Pole des Rotorfeldes und des Statorfeldes in magnetisch einander anziehender Wechselwirkung, so dass der relative magnetische Zustand zwischen dem Statorfeld und dem Erregerfeld vor dem Defekt des Halbleiterschalters - mit dazu umgekehrten Magnetpolen - wieder hergestellt ist. Das Magnetfeld des Stators ist so nach dem Phasenversatz räumlich in Umlaufrichtung des Rotors verschoben, insbesondere invertiert. Bevorzugt ist die Steuereinheit ausgebildet, ein Ansteuermuster zum Ansteuern des Stators bei der Veränderung der Phasenlage beizubehalten.
Durch das Ansteuermuster, insbesondere ein PWM-Muster, ist beispielsweise ein von der Maschine abzugebendes Drehmoment und eine Drehzahl des Rotors vorbestimmt.
Der Statorstrom ist bevorzugt periodisch ausgebildet, beispielsweise sinusförmig.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit ausgebildet, eine Phasenlage der elektrischen Ansteuerung zum Erzeugen des Drehfeldes - insbesondere im Vergleich zu einem Normalbetrieb bei intakten Halbleiterschaltern - umzukehren. Bevorzugt ist die Steuereinheit ausgebildet, die Phasenlage derart umzukehren, dass eine überwiegende Richtungskomponente der Phasenlage, insbesondere eines Phasenzeigers, nach der Umkehr in eine entgegengesetzte Richtung weist. Die Phasenumkehr bewirkt vorteilhaft eine Polaritätsumkehr des magnetischen Statorfeldes in Umlaufrichtung des Rotors und so einen korrekten Gleichlauf zwischen dem Statorfeld und dem Erregerfeld, wobei das Erregerfeld durch das Bestromen des Rotors erzeugt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt ein durch die Steuereinheit in Abhängigkeit des Defektsignals erzeugter Verschiebungswinkel der Phasenlage der elektrischen Ansteuerung zwischen 160 Grad und 200 Grad, weiter bevorzugt 180 Grad.
Bevorzugt weist die Maschine einen Rotorpositionssensor auf, welcher ausgebildet ist, eine Rotorposition des Rotors zu erfassen und ein die Rotorposition repräsentierendes Rotorpositionssignal zu erzeugen. Bevorzugt ist die Steuereinheit ausgebildet, die Phasenlage der Ansteuerung des Stators in Abhängigkeit des Rotorpositionssignals zu ändern. Der Rotorpositionssensor ist beispielsweise ein AMR-Sensor (AMR = Anisotrope-Magneto-Resistive) oder ein GMR-Sensor (GMR = Giant-Magneto-Resistive).
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Halbleiterschalter-Brücke eine Halbleiterschalter-Vollbrücke, welche zwei Halbleiterschalter-Halbbrücken umfasst. Die Halbbrücke weist bevorzugt einen High-Side-Halbleiterschalter und einen Low-Side-Halbleiterschalter auf. Die Halbleiterschalter sind jeweils beispielsweise durch einen Feldeffekttransistor oder einen IGBT (IGBT= Insulated-Gate-Bipolar-Transistor) gebildet. Der Feldeffekttransistor ist beispielsweise ein MOS-FET-Transistor (MOS = Metal-Oxide-Semiconductor) oder ein MIS-FET-Transistor (MIS = Metal-Insulator-Semiconductor).
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit ausgebildet, die Phasenverschiebung nach einem Abklingen des Ständerstroms, insbesondere während eines Nulldurchgangs des Ständerstroms, durchzuführen.Bevorzugt wird so in der Ständerspulenwicklung nach dem Abklingen des Ständerstromes ein Ständerstrom mit umgekehrter Phase und so mit umgekehrter Richtung zum Invertieren der Ständermagnetpole wieder aufgebaut.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit ausgebildet, den Erregerstrom - bevorzugt zeitlich vor einer Stromumkehr und vor der Phasenverschiebung - abklingen zu lassen. Bevorzugt ist die Steuereinheit ausgebildet, die Stromumkehr des Erregerstroms schrittweise, bevorzugt - insbesondere näherungsweise - linear fallend durchzuführen. In einer anderen Ausführungsform ist die Steuereinheit ausgebildet, die Stromumkehr des Erregerstroms exponentiell fallend durchzuführen. Dadurch kann der Erregerstrom vorteilhaft schnell abgebaut werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit ausgebildet, die Phasenverschiebung nach einem Abklingen des Erregerstroms durchzuführen. Vorteilhaft kann so die Stromumkehr schnell erfolgen, sodass ein möglichst geringes Bremsmoment während des Umschaltens der Phase auftreten kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit ausgebildet, die H-Brücke zur Umpolung der Erregerspule während eines Stromabbauintervalls anzusteuern. Dadurch kann vorteilhaft eine Schnelllöschung des Erregerfeldes zur beschleunigten Stromumkehr durchgeführt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit ausgebildet, den Ständerstrom in Abhängigkeit des Defektsignals zu verringern, bevorzugt abklingen zu lassen. Weiter bevorzugt ist die Steuereinheit ausgebildet, den Ständerstrom im Bereich der Stromumkehr des Erregerstromes auszusetzen. Vorteilhaft kann der Erregerstrom so schnell abgebaut werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Maschine einen mit der Steuereinheit verbundenen Stromsensor auf. Der Stromsensor ist ausgebildet, eine Stromrichtung oder zusätzlich eine Stromstärke des Erregerstromes zu erfassen und ein Stromsignal zu erzeugen, das die Stromrichtung oder zusätzlich die Stromstärke des Erregerstroms repräsentiert. Vorteilhaft kann so in der Erregerspule eine beginnende Stromumkehr rechtzeitig erfasst werden, bevor ein Bremsmoment vollständig aufgebaut werden kann.
In einer anderen Ausführungsform ist die Steuereinheit ausgebildet, eine Stromrichtung des Erregerstromes in Abhängigkeit einer Schaltfolge der Halbleiterschalter der Halbleiterschalter-Vollbrücke zu erfassen.
In einer anderen Ausführungsform ist die Steuereinheit ausgebildet, eine Stromrichtung des Erregerstromes in Abhängigkeit eines Drehmomentabfalls der Maschine zu erfassen. Der Drehmomentabfall kann beispielsweise in Abhängigkeit eines von einem Rotorlagesensor erzeugten Rotorpositionssignals erfasst werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit ausgebildet, in Abhängigkeit des Defektsignals eine Ansteuerung einer Phase - insbesondere während eines vorbestimmten Zeitintervalls - auszusetzen. Vorteilhaft kann so die Phasenumkehr schnell eingeleitet werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Ansteuern einer elektrischen Klauenpolmaschine. Bei dem Verfahren wird ein Defekt eines einen Erregerstrom der Maschine erzeugenden Halbleiterschalters erfasst. Weiter wird bei dem Verfahren ein den Defekt repräsentierendes Defektsignal erzeugt und in Abhängigkeit des Defektsignals eine Phasenlage der elektrischen Erzeugung des Erregerstroms um einen vorbestimmten Verschiebungswinkel verschoben.
Die Erfindung wird nun im Folgenden anhand von Figuren und weiteren Ausführungsbeispielen beschrieben. Weitere vorteilhafte Ausführungsvarianten ergeben sich aus einer Kombination der in den abhängigen Ansprüchen und in den Figuren beschriebenen Merkmalen.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine elektrische Maschine mit einer Steuereinheit, welche ausgebildet ist, in Abhängigkeit eines Defekts eines Halbleiterschalters eine Phasenumkehr durchzuführen;
2 zeigt ein Diagramm, gemäß dem die in 1 dargestellte Steuereinheit arbeiten kann;
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Lage der Magnetfelder der in 1 dargestellten Maschine im motorischen Normalbetrieb;
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Lage der Magnetfelder der in 1 dargestellten Maschine im Defektfall im Motorbetrieb und bei Magnetfeldumkehr des Erregerfeldes;
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Lage der Magnetfelder der in 1 dargestellten Maschine im Defektfall im Motorbetrieb nach bei Polaritätsumkehr des Erregerfeldes und magnetischer Verschiebung, insbesondere magnetischer Umkehr des rotierenden Statorfeldes.

1 zeigt - schematisch - ein Ausführungsbeispiel für eine elektrische Maschine 1. Die elektrische Maschine 1 weist einen Stator 2 einen Rotor 3 auf. Die elektrische Maschine 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine fremderregte Maschine, insbesondere Klauenpolmaschine. Dazu weist der Rotor 3 eine Rotorspule 4 auf, welche ausgebildet ist, ein Magnetfeld, insbesondere Erregerfeld zu erzeugen. Der Stator 2 weist in diesem Ausführungsbeispiel drei Statorspulen 5, 50 und 51 auf, welche ausgebildet sind, ein magnetisches Drehfeld zum Drehbewegen des Rotors 3 zu erzeugen. Der Stator kann in einer anderen Ausführungsform mehr als drei, insbesondere ein Vielfaches von drei Statorspulen aufweisen. Der Pfeil 6 repräsentiert eine Drehrichtung des Statorfeldes, der Pfeil 7 repräsentiert eine Richtung des dazu korrelierten magnetischen Moments das auf den Rotor 3 wirkt, welche bei einer Bestromung des Rotors im fehlerfreien Fall der H-Brücke mit der Drehrichtung des Statorfeldes übereinstimmt.
Die Maschine 1 weist auch eine Leistungsendstufe 40, und eine Steuereinheit, insbesondere Verarbeitungseinheit 9 auf. Die Leistungsendstufe 40 ist ausgangsseitig über eine elektrische Verbindung 49 mit dem Stator 2 verbunden und ist ausgebildet, die Statorspulen des Stators 2 zum Erzeugen des magnetischen Drehfeldes zu bestromen. Die Leistungsendstufe 40 weist dazu eine B6-Brücke umfassend drei Halbleiterschalter-Halbbrücken 46, 47 und 48 auf.
Die Maschine 1 weist auch eine als Halbleiterschalter-Vollbrücke ausgebildete Leistungsendstufe 8 zum Erzeugen des Erregerfeldes auf. Die Leistungsendstufe 8 ist in diesem Ausführungsbeispiel mittels einer elektrischen Verbindung 14 mit dem Rotor 3 und dort mit der Rotorspule 4 - beispielsweise über Schleifringe - elektrisch verbunden. Die Leistungsendstufe 8 ist ausgebildet, die Rotorspule 4 des Rotors 3 zum Erzeugen des Erregerfeldes zu bestromen. Die Leistungsendstufe 8 weist dazu eine Halbleiterschalter-Vollbrücke, auch H-Brücke genannt, auf. Die Halbleiterschalter-Vollbrücke weist zwei Halbleiterschalter-Halbbrücken auf, wobei eine Halbbrücke einen High-Side-Halbleiterschalter 17 und einen Low-Side-Halbleiterschalter 18 aufweist, und eine dazu komplementäre Halbbrücke einen High-Side-Halbleiterschalter 15 und einen Low-Side-Halbleiterschalter 16 aufweist. Die Leistungsendstufe 8 ist eingangsseitig über eine elektrische Verbindung 39 mit der Verarbeitungseinheit 9 verbunden. Die Verarbeitungseinheit 9 ist beispielsweise als Mikroprozessor, als Mikrocontroller, als ASIC (ASIC = Application-Specific-Integrated-Circuit) oder als FPGA (FPGA = Field-Programmable-Gate-Array) ausgebildet.
Die Verarbeitungseinheit 9 ist ausgebildet, ein Ansteuermuster zum Ansteuern der Leistungsendstufen 8 und 40, insbesondere der Halbleiterschalter der Leistungsendstufen zu erzeugen und dieses ausgangsseitig auszugeben. Die Verarbeitungseinheit 9 weist dazu einen Pulsweitenmodulator 10 auf, welcher ausgebildet ist, ein Ansteuersignal zum Ansteuern der Statorspulen 5, 50 und 51 zu erzeugen. Die Leistungsendstufe 40 kann das Ansteuersignal zum Ansteuern der Statorspulen 5, 50 und 51 über eine Verbindungsleitung 38 von der Verarbeitungseinheit 9 empfangen. Die Verbindungsleitung 38 ist mehrkanalig ausgebildet und kann beispielsweise durch einen Datenbus gebildet sein. Die Verarbeitungseinheit 9 weist auch einen Pulsweitenmodulator 54 zum Ansteuern der H-Brücke 8 auf. Der Pulsweitenmodulator 54 ist ausgebildet, den Erregerstrom zum Ändern einer Leistung der Erregerspule 4 zu modulieren. Die Verarbeitungseinheit 9 ist beispielsweise ausgebildet, das Ansteuermuster für die H-Brücke 8 und so für die Erregerspule 4 pulsweitenmoduliert zum Auf- oder Abbau der Erregung und zur Stromumkehr in Abhängigkeit des Defektsignals zu erzeugen.
Die Verarbeitungseinheit 9 weist in diesem Ausführungsbeispiel auch eine Phasenverschiebungseinheit 11 auf, welche ausgangsseitig mit dem Pulsweitenmodulator 10 verbunden und ausgebildet ist, in Abhängigkeit eines eingangsseitig, über eine Verbindungsleitung 12 empfangenen Stromsignals ein Defektsignal zu erzeugen und dieses ausgangsseitig an den Pulsweitenmodulator 10 zum Erzeugen eines phasenverschobenen Ansteuersignals auszugeben.
Die Maschine 1 weist auch einen Stromsensor 13 auf, welcher in diesem Ausführungsbeispiel als Shunt-Widerstand ausgebildet ist und welcher angeordnet und ausgebildet ist, einen in den Rotorspulen des Rotors 3 fließenden Strom zu erfassen und ein den Strom repräsentierendes Stromsignal zu erzeugen. Der Stromsensor 13 ist ausgangsseitig über die Verbindungsleitung 12 mit der Verarbeitungseinheit 9, und dort mit der Phasenverschiebungseinheit 11, verbunden.
Die Maschine 1 weist auch einen mit der Verarbeitungseinheit 9 verbundenen Rotorpositionssensor 52 auf, welcher ausgebildet ist, eine Rotorposition des Rotors 3 zu erfassen und ein die Rotorposition repräsentierendes Rotorpositionssignal zu erzeugen.
Die Verarbeitungseinheit 9 ist unabhängig oder zusätzlich von dem Stromsensor 13 ausgebildet, in Anhängigkeit des Rotorpositionssignals einen Drehmomentabfall der Maschine zu ermitteln und das Fehlersignal in Abhängigkeit des Drehmomentabfalls zu erzeugen.
Die Verarbeitungseinheit 9 weist auch einen Zeitgeber 19 auf, welcher ausgebildet ist, ein einen Zeittakt repräsentierendes Taktsignal zu erzeugen und ausgangsseitig auszugeben. Ein gestrichelter Pfeil 41 zeigt eine zu der Drehrichtung 6 des Drehfeldes umgekehrte magnetische Wirkungsrichtung des durch das Erregerfeld erzeugten magnetischen Moments, bewirkt durch die Abstoßung gleichnamiger Pole des Erregerfeldes und des Statorfeldes nach einer Stromumkehr in der Erregerspule. Der Pulsweitenmodulator 10 ist ausgebildet, in Abhängigkeit des Defektsignals ein Ansteuersignal zum Ansteuern der Leistungsendstufe 8 zum Bestromen der Rotorspule 4 in umgekehrter Stromrichtung - insbesondere zusätzlich in Abhängigkeit des Taktsignals - zu erzeugen. Der Pulsweitenmodulator 10 ist ausgebildet, in Abhängigkeit des Defektsignals ein phasenverschobenes Ansteuersignal mit umgekehrter Phasenlage zum Ansteuern der Leistungsendstufe 40 zum Bestromen des Stators 2 - insbesondere zusätzlich in Abhängigkeit des Taktsignals - zu erzeugen. Die Maschine 1 kann so mit nur kurzzeitigem Drehmomentabfall während der Stromumkehr in der Erregerspule nach erfolgter Stromumkehr weiterbetrieben werden.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Diagramm 20. Das Diagramm 20 zeigt einen Momentenverlauf eines von der elektrischen Maschine 1 im Fehlerfall abgegebenen Drehmomentes und eines Stromverlaufes des Erregerstromes und des Ständerstromes in Abhängigkeit des Phasenversatzes, insbesondere der Phasenumkehr.
Das Diagramm 20 weist eine Zeitachse 21 auf und eine - insbesondere eine Ordinate bildende - Momentenachse 22 auf. Eine Momentenkurve 23 repräsentiert ein von der elektrischen Maschine 1 in 1 abgegebenes Drehmoment, welches bis hin zu einem Defektzeitpunkt 24 während eines Zeitintervalls 27 konstant verläuft. Von dem Defektzeitpunkt 24 beginnend erstreckt sich ein Zeitintervall 28, welches bis hin zu einem Zeitpunkt 25 reicht, zu dem ein Erregerstrom in der Erregerspule 4 vollständig abgebaut ist. Die Verarbeitungseinheit 9 ist beispielsweise ausgebildet, während des Zeitintervalls 28 die H-Brücke 8 zum Umpolen der Erregerspule 8 anzusteuern, was einen beschleunigten Abbau des Erregerstromes bewirkt.
Eine Kurve 34 repräsentiert dazu den Erregerstrom, welcher in der Erregerspule fließt, wobei die Ordinate 31 in dem Diagramm 20 eine Stromstärke des Erregerstroms repräsentiert. Der Erregerstrom fließt dabei im Normalbetrieb über den High-Side-Halbleiterschalter 17 und die Erregerspule 4 und den komplementären Low-Side-Halbleiterschalter 16 und wird durch pulsweitenmodulierte Ansteuerung der Halbleiterschalter 17 und/oder 16 durch die Verarbeitungseinheit 9 geregelt. Im Falle eines defekten Halbleiterschalters für den Normalbetrieb der Halbleiterschalter-Vollbrücke können die verbleibenden Halbleiterschalter von der Steuereinheit derart angesteuert werden, dass mit Hilfe der noch intakten verbleibenden Halbleiterschalter der Strom in der Erregerspule abgebaut werden kann, bis hin zu einem Null-Wert des Erregerstroms zum Zeitpunkt 25. In einem darauf anschließenden Zeitintervall 29 kann der Erregerstrom - insbesondere in umgekehrter Stromrichtung - in der Erregerspule wieder aufgebaut werden, bis zu einem Maximalwert zum Zeitpunkt 26. Der Abbau des Erregerfeldes und die Stromumkehr kann beispielsweise - insbesondere wie in der DE 10 2017 101 069 A1 beschrieben - bei einem hochohmig defekten High-Side-Halbleiterschalter 17 durch Schließen des verbleibenden High-Side-Halbleiterschalters 15 und des dazu komplementären Low-Side-Halbleiterschalters 18 - gesteuert durch die Steuereinheit 9 - durchgeführt werden, so dass der Erregerstrom in umgekehrter Richtung - verglichen mit einem Normalbetrieb - durch die Rotorspule fließt. Die Steuereinheit 9 ist weiter ausgebildet, zueinander gleichartige Halbleiterschalter, in diesem Beispiel die Low-Side-Halbleiterschalter der H-Brücke gleichzeitig zu schließen und so einen Freilaufstrom in dem Low-Side-Kreis durch die Rotorspule fließen zu lassen. Die Stromrichtung des Spulenstromes der Rotorspule kann so schnell umgekehrt werden.
Die Steuereinheit ist ausgebildet, bei hochohmig defektem Low-Side-Halbleiterschalter 16 durch Schließen des verbleibenden Low-Side-Halbleiterschalters 18 und des High-Side-Halbleiterschalters 15 einen umgekehrten Erregerstrom durch die Rotorspule 4 fließen zu lassen. Die Steuereinheit 9 ist weiter ausgebildet, zueinander gleichartige Halbleiterschalter, in diesem Beispiel des defekten Low-Side-Halbleiterschalter beide High-Side-Halbleiterschalter der H-Brücke gleichzeitig zu schließen und so einen Freilaufstrom in dem High-Side-Kreis durch die Rotorspule fließen zu lassen. Die Stromrichtung des Spulenstromes der Rotorspule kann so schnell umgekehrt werden.
Die Vollbrücke mit dem defekten Halbleiterschalter kann weiter von der Steuereinheit 9 in 1 mit einer Phasenverschiebung von 180 Grad angesteuert werden, was die Phasenkurve 35 in 2 zeigt. Die Phasenkurve 35 repräsentiert dabei einen Phasenwinkel, die Änderung des Phasenwinkels repräsentiert einen Verschiebungswinkel. Ein die Phasenverschiebung repräsentierender Phasenzeiger weist dabei in eine dazu umgekehrte Richtung. Die Ordinate 32 im Diagramm 20 repräsentiert dazu die Phasenlage der Ansteuerung zu der Rotorspule, deren Halbleiterschalter-Halbbrücke zum Zeitpunkt 24, nämlich dem Defektzeitpunkt, einen defekten Halbleiterschalter aufweist. Die Halbleiterschalter-Vollbrücke wird während des Zeitintervalls 27 und während des Zeitintervalls 28 bis hin zu dem Zeitpunkt 25, an dem der Erregerstrom in der Erregerspule abgebaut worden ist, mit dem Phasenwinkel für eine Ansteuerung mit intakten Halbleiterschaltern angesteuert. Dieser Phasenwinkel beträgt in diesem Ausführungsbeispiel beispielhaft 90 Grad. Von dem Zeitpunkt 25 an, an dem der Erregerstrom in der Erregerspule abgebaut werden konnte, beträgt der Phasenwinkel - gesteuert durch die Verarbeitungseinheit 9 in 1 - während des Zeitintervalls 29 und während eines an das Zeitintervall 29 anschließenden Zeitintervalls 30, bei dem ein Drehmoment der elektrischen Maschine wieder seinen vollen Wert erreicht hat, minus 90 Grad elektrisch.
Die Steuereinheit 9 in 1 kann ausgebildet sein, die Phasenumkehr, repräsentiert durch die Phasenkurve 35, im Bereich des Zeitpunkts 25 während eines Zeitintervalls im Bereich um den Zeitpunkt 25 auszusetzen. Dadurch kann vorteilhaft ein unerwünschtes Bremsmoment verhindert werden, insbesondere für den Fall, dass der Zeitpunkt 25 nicht genau ermittelt werden kann.
2 zeigt auch im Diagramm 20 eine Ordinate 33, welche einen Betrag des Ständerstroms repräsentiert. Eine Kurve 36 repräsentiert den Ständerstrom, welcher bis zum Defektzeitpunkt 24 einen - insbesondere durch die Verarbeitungseinheit 9 in 1 gesteuert - konstanten Wert aufweist.
Vom Defektzeitpunkt 24 beginnend kann der Ständerstrom bis zum Zeitpunkt 25, an dem der Erregerstrom in der Rotorspule abgeklungen ist, abgesenkt werden. Vom Zeitpunkt 25 an kann der Ständerstrom wieder - insbesondere schrittweise - vergrößert werden, bis hin zum Zeitpunkt 26, an dem der Betrag des Erregerstroms in der Erregerspule des Rotors, repräsentiert durch die Kurve 34, wieder vollständig in umgekehrter Richtung aufgebaut ist. So kann vorteilhaft durch die Zurücknahme des Ständerstroms beim Phasenverschieben, insbesondere bei der Phasenumkehr, verhindert werden, dass ein negatives Bremsmoment aufgebaut wird.
In einer anderen Ausführungsform kann die Verarbeitungseinheit 9 ausgebildet sein, den Ständerstrom nach Erfassung des Defektes zum Zeitpunkt 24 auszusetzen und mit umgekehrter Phase nach Erreichen eines vorbestimmten Rotorstroms zum Zeitpunkt 26 wieder mit der geänderten Phasenlage zu starten. Dies führt zu einer Momentenpause also einer Reduzierung des Momentes zwischen den Zeitpunkten 24 und 26 auf den Wert Null.
3 zeigt - schematisch - das rotierende Statorfeld 42 des Stators 2 mit der Richtung 6 im Normalbetrieb, dem das Erregerfeld 43 des Rotors 3 aufgrund des Momentes 7 folgt. Von den Polen des Statorfeldes ist ein Pol 44 beispielhaft bezeichnet, von den Polen des Erregerfeldes des Rotors ist ein Pol 45 beispielhaft bezeichnet. In 3 schwarz gekennzeichnete Pole und weiß gekennzeichnete Pole sind zueinander entgegengesetzt magnetisiert. Beispielsweise ist ein schwarzer Magnetpol ein Nordpol, ein weißer Magnetpol ist ein Südpol. Das Erregerfeld 43 des Rotors 3 in 1 folgt dem Statorfeld 42 unter Anziehung zueinander entgegengesetzter Pole oder Abstoßung zueinander gleichartiger Magnetpole mit zur Drehrichtung 6 gleichsinnigem Moment 7.
4 zeigt den Zustand bei einem defekten Halbleiterschalter der H-Brücke, bei dem die Stromrichtung des Erregerstromes der Erregerspule 4 - beispielsweise gesteuert durch die Verarbeitungseinheit 9 in 1 - umgekehrt wurde. An den Ort der Magnetpole des Erregerfeldes sind nun nach der Stromumkehr dazu entgegengesetzte Magnetpole getreten. Das Magnetfeld der Erregerspule wurde so umgekehrt. Die Pole des Erregerfeldes stehen nun im rotierenden Statorfeld nahe gleichartiger Magnetpole des Statorfeldes, was eine Abstoßung oder ein Bremsmoment bewirkt. Dies ist insbesondere dadurch erkennbar, dass der Momentenpfeil 41 gegenüber dem Rotationspfeil 6 die entgegengesetzte Richtung aufweist.
5 zeigt den magnetischen Zustand der Maschine 1 in 1 nach der Umkehr des Erregerstromes und so der Magnetfeldumkehr des Erregerfeldes in der Rotorspule und nach einer Phasenverschiebung des rotierenden Statorfeldes um 180 Grad, bewirkt durch die Verarbeitungseinheit 9 in 1. Die Pole des Erregerfeldes stehen nun im rotierenden Statorfeld nach der Magnetfeldverschiebung des Statorfeldes in Umlaufrichtung wieder in derselben Relation zum Statorfeld wie vor dem Defekt der die Erregerspule bestromenden H-Brücke. Ein Phasenwinkel 53 der Phasenverschiebung der Statoransteuerung beträgt in diesem Beispiel 180 Grad elektrisch und wie in 5 dargestellt 90 Grad geometrisch. Insbesondere zeigen der Momentenpfeil 7 und die Drehrichtung 6 wieder in die gleiche Richtung, so dass ein Drehmoment gleichsinnig mit der Drehrichtung aufgebaut wird.
Der magnetische Zustand entsprechend 3 ist in 5 mit dazu umgekehrten Magnetpolen des Statorfeldes und des Erregerfeldes wieder hergestellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017101069 A1 [0002, 0031]

Claims

Elektrische Maschine (1), insbesondere Klauenpolmaschine, mit einem Stator (2) und einem Rotor (3), wobei die Maschine (1) eine Steuereinheit (9) aufweist, welche ausgebildet ist, die Maschine (1) zum Erzeugen eines Erregerfeldes und zum Erzeugen eines magnetischen Drehfeldes anzusteuern, wobei die Maschine (1) einen mit dem Rotor (3) verbundene H-Brücke (8) mit einer Halbleiterschalter-Vollbrücke auf, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (9) ausgebildet ist, einen Defekt eines Halbleiterschalters (17, 18) der H-Brücke (8) zu erfassen und ein den Defekt repräsentierendes Defektsignal zu erzeugen und in Abhängigkeit des Defektsignals eine Richtung eines Erregerstroms der Maschine in Abhängigkeit des Defektsignals umzukehren und eine Phasenlage eines Statorstromes zum Erzeugen des Drehfeldes (6) der Maschine (1) zu verändern.
Maschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (9) ausgebildet ist, die Phasenlage (35) der elektrischen Ansteuerung zum Erzeugen des Drehfeldes (6) umzukehren.
Maschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein durch die Steuereinheit (9) in Abhängigkeit des Defektsignals erzeugter Verschiebungswinkel (37) einer Phasenlage der elektrischen Ansteuerung zwischen 160 Grad und 200 Grad beträgt.
Maschine (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein durch die Steuereinheit (9) in Abhängigkeit des Defektsignals erzeugter Verschiebungswinkel (35) der elektrischen Ansteuerung 180 Grad beträgt.
Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (9) ausgebildet ist, die H-Brücke (8) zum Umpolen der Erregerspule (4) anzusteuern und so eine Schnelllöschung des Erregerfeldes zur beschleunigten Stromumkehr durchzuführen.
Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (9) ausgebildet ist, den Erregerstrom (34) abklingen zu lassen und die Phasenverschiebung (35) nach einem Abklingen des Erregerstroms, insbesondere während eines Nulldurchgangs des Erregerstroms, durchzuführen.
Maschine (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (9) ausgebildet ist, den Ständerstrom (36) abklingen zu lassen und die Phasenverschiebung (35) nach einem Abklingen des Ständerstroms durchzuführen.
Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine (1) einen mit der Steuereinheit (9) verbundenen Stromsensor (13) aufweist, welcher ausgebildet ist, eine Stromrichtung oder zusätzlich eine Stromstärke des Erregerstromes (34) zu erfassen und ein Stromsignal zu erzeugen, das die Stromrichtung oder zusätzlich eine Stromstärke des Erregerstromes (34) repräsentiert.
Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (9) ausgebildet ist, in Abhängigkeit des Defektsignals eine Ansteuerung einer Phase - insbesondere während eines vorbestimmten Zeitintervalls - auszusetzen.
Verfahren zum Ansteuern einer elektrischen Klauenpolmaschine, bei dem ein Defekt eines einen Erregerstrom (34) der Maschine (1) erzeugenden Halbleiterschalters (17, 18) erfasst wird und ein den Defekt repräsentierendes Defektsignal erzeugt wird und in Abhängigkeit des Defektsignals eine Phasenlage der elektrischen Erzeugung des Drehfeldes (6) um einen vorbestimmten Verschiebungswinkel (37) verschoben wird.