-
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs und ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine als Elektromotor. Bevorzugt ist die elektrische Maschine ein Bestandteil eines elektromotorischen Nebenaggregats des Kraftfahrzeugs. Die Erfindung betrifft ferner ein elektromotorisches Nebenaggregat eines Kraftfahrzeugs, wie einen elektromotorischen Kältemittelverdichter.
-
Kraftfahrzeuge weisen üblicherweise eine Klimaanlage auf, mittels derer eine Temperierung eines Innenraums des Kraftfahrzeugs erfolgt. Auch werden bei mittels eines Elektromotors angetriebenen Kraftfahrzeugen die benötigten Energiespeicher, wie eine Hochvoltbatterie, gekühlt. Die Klimaanlage weist einen Kältemittelkreislauf auf, der einen Kältemittelverdichter, diesem nachgeschaltet einen Kondensator sowie diesem fluidtechnisch nachgeschaltet einen Verdampfer umfasst. Diesem ist fluidtechnisch ein weiterer Wärmetauscher nachgeschaltet, der in thermischem Kontakt mit einer Gebläseleitung, die in den Innenraum des Kraftfahrzeugs führt, oder mit etwaigen Energiezellen des Hochvoltenergiespeichers ist. Der Kältemittelkreislauf ist mit einem Kältemittel befüllt, wie R134a, R1234yf oder CO2.
-
Bei Betrieb wird mittels des Kältemittelverdichters ein Druck des Kältemittels erhöht, was zu einer Temperaturerhöhung des Kältemittels führt. Dieses wird zu dem Kondensator geleitet, der in thermischem Kontakt mit einer Umgebung des Kraftfahrzeugs ist. Hierbei erfolgt eine Temperaturerniedrigung des Kältemittels, welches in dem nachgeschalteten Verdampfer wiederum auf den ursprünglichen Druck entspannt wird, weshalb die Temperatur des Kältemittels weiter verringert wird. In dem nachgeschalteten Wärmetauscher wird von dem mit dem Wärmetauscher thermisch kontaktierten Bauteil thermische Energie auf das Kältemittel übertragen, was zu einer Abkühlung des Bauteils und einer Erwärmung des Kältemittels führt. Das erwärmte Kältemittel wird zum Schließen des Kältemittelkreislaufs erneut dem Kältemittelverdichter zugeführt.
-
Damit ein Betrieb des Kältemittelverdichters unabhängig von dem Betrieb eines Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs erfolgen kann, sofern dieser vorhanden ist, ist der Kältemittelverdichter in zunehmendem Maße als elektromotorischer Kältemittelverdichter ausgestaltet, der einen Elektromotor aufweist. Damit Reibungsverluste und ein Verschleiß vergleichsweise gering sind, und eine Betriebsdauer des Elektromotors erhöht ist, ist der Elektromotor ist meist bürstenlose ausgestaltet. Der Elektromotor weist dabei eine Anzahl an elektrischen Spulen auf, die elektrisch in Reihe oder parallel zu einer gemeinsamen Phase verschaltet sind. Meist weist ein derartiger Elektromotor drei derartige Phasen auf, die beispielsweise zu einer Dreiecks- oder Sternschaltung miteinander elektrisch verschalten sind.
-
Die Bestromung der einzelnen Phasen erfolgt mittels einer Elektronik, die als Brückenschaltung, nämlich als sogenannte B6-Schaltung, ausgestaltet ist. Hierbei ist jeder der Phasen einer der Brückenzweige der Brückenschaltung zugeordnet, die jeweils zwei Halbleiterschalter umfassen. Um bei Beginn und Ende der Bestromung auftretende Spannungsspitzen auszugleichen ist meist zu der Brückenschaltung eine Zwischenkreiskapazität parallel geschaltet, die zur Bereitstellung eines entsprechend großen Puffers mehrere einzelne Kondensatoren aufweist. Dies erhöht den Bauraum sowie die Herstellungskosten. Auch werden mittels der Halbleiterschalter jedes der Brückenzweige vergleichsweise große elektrische Ströme und elektrische Spannungen geschaltet, sodass diese entsprechend robust ausgestaltet werden müssen. Dies erhöht ebenfalls die Herstellungskosten.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, sowohl eine besonders geeignete elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs als auch ein besonders geeignetes Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs als Elektromotor sowie ein besonders geeignetes elektromotorisches Nebenaggregat eines Kraftfahrzeugs anzugeben, wobei insbesondere eine Rückwirkung in ein Bordnetz und/oder Herstellungskosten verringert sind, und wobei zweckmäßigerweise eine elektromagnetische Verträglichkeit erhöht ist.
-
Hinsichtlich der elektrischen Maschine wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1, hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 6 und hinsichtlich des elektromotorischen Nebenaggregats durch die Merkmale des Anspruchs 10 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
-
Die elektrische Maschine ist ein Bestandteil eines Kraftfahrzeugs, das zweckmäßigerweise landgebunden ist. Hierbei ist das Kraftfahrzeug vorzugsweise unabhängig auf einer Fahrbahn positionierbar, also insbesondere unabhängig von Schienen oder dergleichen. Das Kraftfahrzeug ist beispielsweise ein Nutzkraftwagen, wie ein Lastkraftwagen (Lkw) oder ein Bus. Besonders bevorzugt jedoch ist das Kraftfahrzeug ein Personenkraftwagen (Pkw).
-
Die elektrische Maschine ist beispielsweise eine Asynchronmaschine. Bevorzugt jedoch ist die elektrische Maschine eine Synchronmaschine. Zum Bespiel ist die elektrische Maschine ein Generator. Besonders bevorzugt jedoch ist die elektrische Maschine ein Elektromotor. Z.B. ist der Elektromotor ein bürstenbehafteter Kommutatormotor. Vorzugsweise ist der Elektromotor ein bürstenloser Elektromotor, insbesondere ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC). Beispielsweise ist die elektrische Maschine signaltechnisch mit einem BUS-System gekoppelt, insbesondere einem LIN- oder CAN-Bus-System.
-
Beispielsweise dient die elektrische Maschine als Elektromotor dem Antrieb des Kraftfahrzeugs. Mit anderen Worten wird mittels des Elektromotors eine Kraft bereitgestellt, die direkt zu dem Vortrieb des Kraftfahrzeugs führt. Besonders bevorzugt jedoch ist die elektrische Maschine ein Bestandteil eines Nebenaggregats, wie eines elektromotorischen Nebenaggregats. Das elektromotorische Nebenaggregat ist beispielsweise ein elektromotorischer Verstellantrieb, wie zum Beispiel ein elektromotorischer Fensterheber, eine elektromotorische Sitzverstellung oder eine elektromotorisches Türverstellung, wobei als Tür beispielsweise eine Seitentür oder eine Heckklappe herangezogen wird. Alternativ hierzu ist der Elektromotor beispielsweise ein Bestandteil einer Pumpe, wie einer Wasserpumpe oder einer Ölpumpe, die beispielsweise als Schmiermittelpumpe oder Hydraulikölpumpe ausgestaltet ist. In einer weiteren Alternative ist das elektromotorische Nebenaggregat ein Kühlerlüfter, mittels dessen bei Betrieb insbesondere ein Luftstrom durch eine Kühlerzarge oder dergleichen erstellt wird. In einer weiteren Alternative hierzu ist das elektromotorische Nebenaggregat ein elektromotorischer Kältemittelverdichter, und mittels des Elektromotors ist insbesondere ein Verdichterkopf angetrieben. Zum Beispiel ist der Elektromotor ein Bestandteil eines Gebläses, wie eines Heizgebläses oder dient insbesondere als Aktor eines automatisierten Getriebes.
-
Die elektrische Maschine weist einen Gleichstromanschluss auf, an dem im Betriebszustand zweckmäßigerweise eine elektrische Spannung anliegt. Insbesondere ist der Gleichstromanschluss mittels eines geeigneten Steckers gebildet, oder der Gleichstromanschluss umfasst zumindest einen derartigen Stecker. Der Gleichstromanschluss umfasst einen ersten Pol und einen zweiten Pol, zwischen denen bei Betrieb eine elektrische Spannung anliegt. Hierfür sind der erste Pol und der zweite Pol zweckmäßigerweise zueinander elektrisch isoliert. Vorzugsweise ist die elektrische Maschine im Montagezustand mit einem Bordnetz des Kraftfahrzeugs elektrisch kontaktiert und/oder mit einer elektrischen Spannung von wenigen Volt bis zu 1000V betrieben, insbesondere mit einer elektrischen Spannung von 12V, 24V, 48V, 288V, 450V, 650V oder 830V. Vorzugsweise liegt bei Betrieb zwischen den beiden Polen die elektrische Spannung des Bordnetzes des Kraftfahrzeugs im Montagezustand an. Somit ist ein zusätzlicher Transformator oder dergleichen nicht erforderlich, was Herstellungskosten sowie ein Gewicht weiter reduziert.
-
Ferner weist die elektrische Maschine einen Stator auf der eine Anzahl an elektrischen Spulen umfassen. Dabei sind mehr als drei elektrische Spulen vorhanden, beispielsweise vier elektrische Spulen, fünf elektrische Spulen, sechs elektrische Spulen oder mehr elektrische Spulen. Zweckmäßigerweise ist die Anzahl der elektrischen Spule ein ganzzahliges Vielfaches von drei, sodass beispielsweise sechs elektrische Spulen, neun elektrische Spulen, zwölf elektrische Spulen oder fünfzehn elektrische Spulen vorhanden sind. Alternativ ist die Anzahl der elektrischen Spulen kein ganzzahliges Vielfaches von drei. Zweckmäßigerweise wird hierbei die Anzahl der elektrischen Spulen in Abhängigkeit einer Polanzahl eines etwaigen Rotors gewählt. Zusammenfassend wird insbesondere die Anzahl der elektrischen Spulen lediglich in Abhängigkeit der Anzahl an Polen gewählt.
-
Jede der elektrischen Spulen weist ein erstes Spulenende und ein zweites Spulenende auf, zwischen denen sich insbesondere eine Spulenwicklung befindet. Insbesondere sind die elektrischen Spulen jeweils einstückig erstellt und beispielsweise aus einem Lackdraht gewickelt, wie insbesondere einem Aluminiumlackdraht oder einem Kupferlackdraht. Zum Beispiel ist die etwaige Spulenwicklung jeder elektrischen Spule auf einen jeweiligen Träger gewickelt, der beispielsweise aus einem Kunststoff gefertigt ist. Insbesondere sind die elektrischen Sputen jeweils als Einzelzahnwicklung realisiert. Somit ist eine Herstellung vereinfacht. Insbesondere ist der Träger oder die Spulenwicklung an einem Blechpaket befestigt, was diese stabilisiert. Auch ist auf diese Weise eine geeignete Formung eines Magnetfelds ermöglicht.
-
Jedes erste Spulenende ist elektrisch mittels jeweils eines ersten Schaltelements mit dem ersten Pol elektrisch kontaktiert. Insbesondere erfolgt dabei eine direkte Kontaktierung, sodass zwischen jedem ersten Spulenende und dem ersten Pol jeweils lediglich das erste Schaltelement als elektrisches Bauelement vorhanden ist. Somit weist die elektrische Maschine genauso viele erste Schaltelemente auf, wie elektrische Spulen vorhanden sind.
-
Aufgrund der ersten Schaltelemente ist es möglich, jede der elektrischen Spulen separat von den anderen elektrischen Spulen anzusteuern und somit zu bestromen. Dabei wird jeweils lediglich der mittels der jeweiligen elektrischen Spule geführte elektrische Strom geschaltet. Somit ist eine bei jedem der Schaltvorgänge auftretende Verlustleistungen reduziert. Zudem ist kein Schaltelement erforderlich, mittels dessen ein vergleichsweise großer elektrischer Strom geschaltet wird, das vergleichsweise kostenintensiv ist. Dahingegen wird mit den ersten Schaltelementen jeweils ein vergleichsweise geringer elektrischer Strom geschaltet, sodass eine Belastung dieser verringert ist. Somit können vergleichsweise kostengünstige erste Schaltelement herangezogen werden.
-
Auch ist ein Ausbilden von elektromagnetischer Störung/Emission, die insbesondere leistungsgebunden und/oder abstrahlend ist, bei jedem der Schaltvorgänge verringert. Dabei ist es möglich, die einzelnen Schaltvorgänge zueinander zu versetzen, sodass etwaige Störstrahlung zwar während eines verlängerten Zeitbereich besteht, diese jedoch eine vergleichsweise geringe Intensität aufweist. Somit ist eine elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) erhöht. Auch ist dabei eine Anforderung an eine etwaige elektromagnetische Abschirmung uns Entstörmaßnahmen verringert, sodass diese vergleichsweise kostengünstiger gefertigt werden kann. Somit sind Herstellungskosten reduziert.
-
Auch ist aufgrund der verringerten jeweils geschalteten elektrischen Stroms eine Rückwirkung in ein etwaiges Bordnetz des Kraftfahrzeugs verringert, und dies kann beispielsweise mittels vergleichsweise kostengünstiger Bauelemente ausgeglichen werden, insbesondere sofern die einzelnen Schaltvorgänge zueinander zeitlich versetzte erfolgen. Zudem ist aufgrund der einzelnen ersten Schaltelemente kein Verschaltungsring erforderlich, mittels dessen die ersten Spulenenden oder zumindest ein Teil der elektrischen Spulen zu einer Phase zusammengefasst würden. Somit ist einerseits kein weiteres Bauteil erforderlich, und es ist ein Gewicht sowie Bauraum verringert. Andererseits ist bei einem derartigen Verschaltungsring das Führen von Leitungen vergleichsweise kompliziert, da ein elektrischer Kurzschluss vermieden werden muss. Da der Verschaltungsring nicht erforderlich ist, ist somit eine Herstellung vereinfacht. Insbesondere weist die elektrische Maschine keinen derartigen Verschaltungsring auf.
-
Die ersten Schaltelemente sind beispielsweise zueinander unterschiedlich oder besonders bevorzugt zueinander baugleich, sodass Gleichteile herangezogen werden können. Somit sind Herstellungskosten weiter reduziert. Beispielsweise sind die ersten Schaltelemente als Relais ausgestaltet. Besonders bevorzugt jedoch sind die ersten Schaltelemente Halbleiterschalter, beispielsweise Leistungshalbleiterschalter. Beispielsweise basieren die Halbleiterschalter auf SiC-Technik. Vorzugsweise umfasst jedes der ersten Schaltelemente einen Feldeffekttransistor oder ist mittels dessen gebildet. Der Feldeffekttransistor ist beispielsweise ein MOSFET oder ein IGBT. In einer weiteren Alternative umfasst jedes der ersten Schaltelemente beispielsweise mehrere derartige Feldeffekttransistoren, die beispielsweise zueinander in Reihe oder parallel geschaltet sind. Somit ist ein mittels jeder der Feldeffekttransistoren getragener elektrischer Strom verringert.
-
Beispielsweise ist das jeweilige erste Spulenende abgesehen von dem jeweiligen ersten Schaltelement mit keinem weiteren Bauelement elektrisch kontaktiert. Besonders bevorzugt jedoch ist jedes erste Spulenende elektrisch mittels jeweils eines zweiten Schaltelements mit dem zweiten Pol elektrisch kontaktiert. Mit anderen Worten ist jedes erste Spulenende mittels des jeweils zugeordneten zweiten Schaltelements gegen den zweiten Pol geführt. Vorzugsweise ist jedes der ersten Spulenenden mittels des jeweiligen zweiten Schaltelements direkt mit dem zweiten Pol verbunden, sodass zwischen dem zweiten Pol und dem jeweiligen erste Spulenende elektrisch kein weiteres Bauelement vorhanden ist. Somit ist mittels des jeweils zugeordneten ersten und zweiten Schaltelements ein Brückenzweig realisiert. Aufgrund des jeweiligen zweiten Schaltelements ist es somit möglich, durch die jeweilige elektrische Spule einen elektrischen Stromfluß in die entgegengesetzte Richtung zu erstellen. Daher kann die elektrische Maschine, sofern diese als Elektromotor genutzt wird, insbesondere in zwei unterschiedliche Drehrichtungen betrieben werden.
-
Zusammenfassend ist es möglich, mittels des zweiten Schaltelements an dem ersten Spulenende das an dem zweiten Pol vorhandene elektrische Potenzial anzulegen. Vorzugsweise erfolgt bei Betrieb entweder ein Schalten des ersten Schaltelements oder ein Schalten des zweiten Schaltelements, sodass ein elektrischer Kurzschluss über diese vermieden ist. Beispielsweise erfolgt eine zeitlich versetzte Ansteuerung zwischen diesen. Hierfür ist zweckmäßigerweise eine geeignete Treiberschaltung vorhanden, bei der beispielsweise jeweils ein bestimmter Zeitversatz realisiert ist. Zum Beispiel sind die zweiten Schaltelemente baugleich zu den ersten Schaltelementen. Besonders bevorzugt sind die zweiten Schaltelemente jeweils mittels eines Feldeffekttransistoren, beispielsweise eines MOSFET oder IGBTs, gebildet. Aufgrund der Baugleichheit können somit mehr Gleichteile herangezogen werden, was Herstellungskosten weiter reduziert. Auch ist eine Lagerhaltung vereinfacht.
-
Beispielsweise ist jedes zweite Spulenende elektrisch gegen einen gemeinsamen Sternpunkt geführt. Der Sternpunkt weist beispielsweise bei Betrieb ein elektrisches Potential auf, das sich im Wesentlichen mittig zwischen dem des ersten Pols und dem des zweiten Pols befindet. In einer weiteren Alternative ist es beispielsweise möglich, den Sternpunkt auf ein bestimmtes elektrisches Potential zu setzen, beispielsweise das elektrische Potenzial des ersten oder des zweiten Pols. Hierfür ist der Sternpunkt beispielsweise mit jeweils einem geeigneten Schalter mit dem jeweiligen Pol elektrisch verbunden.
-
Besonders bevorzugt jedoch ist jedes zweite Spulenende elektrisch mit dem ersten Spulenende jeweils einer weiteren der elektrischen Spule kontaktiert. Vorzugsweise wird hierbei die jeweils direkt benachbarte elektrische Spule herangezogen. Mit anderen Worten ist jedes der zweiten Spulenenden elektrisch direkt gegen eines der ersten Spulenenden geführt, bevorzugt das der jeweils benachbarten elektrischen Spule. Dieses erste Spulenende ist hierbei mittels des jeweils zugeordneten ersten Schaltelements gegen den ersten Pol geführt und besonders bevorzugt mittels des jeweiligen zweiten Schaltelements gegen den zweiten Pol. Somit ist auch weiterhin eine einzelne Ansteuerung der jeweiligen elektrischen Spulen ermöglicht. Da jedoch bei dem zweiten Spulenende die der benachbarten elektrische Spule zugeordneten Schaltelemente, oder zumindest das erste Schaltelement, genutzt wird, ist eine insgesamte Anzahl an Schaltelementen reduziert. Daher ist ein Aufwand verringert. Auch ist eine Verwendung eines Verschaltungsrings oder dergleichen zur elektrischen Kontaktierung der zweiten Spulenenden nicht erforderlich, was wiederum ein Gewicht sowie eine Komplexität verringert und einen Bauraum reduziert.
-
In einer alternativen Ausgestaltungsform ist beispielsweise jedem zweiten Spulenende jeweils ein weiteres Schaltelement zugeordnet, mittels dessen das zweite Spulenende beispielsweise gegen den zweiten Pol elektrisch geführt und somit mit diesem kontaktiert ist. Besonders bevorzugt ist dabei ein zusätzliches Schaltelement vorhanden, mittels dessen das zweite Spulenende gegen den ersten Pol geführt ist. Aufgrund der weiteren/zusätzlichen Schaltelemente ist somit ein gleichzeitiger Betrieb sämtlicher elektrischen Spulen ermöglicht, wobei eine Flussrichtung des elektrischen Stroms insbesondere gleich sein kann. Mit anderen Worten ist es aufgrund der weiteren/zusätzlichen Schaltelemente möglich, jede der elektrischen Spulen vollständig unabhängig anzusteuern und zu bestromen.
-
Die elektrische Maschine ist beispielsweise ein Ausläufer. Besonders bevorzugt jedoch ist die elektrische Maschine ein Innenläufer, und die elektrischen Spulen sind zweckmäßigerweise zu einem Hohlzylinder angeordnet. Hierbei sind die Spulenachsen der elektrischen Spulen zweckmäßigerweise senkrecht zur Achse des Hohlzylinders ausgerichtet. Bevorzugt weist der Stator dabei das Blechpaket auf, mittels dessen die elektrischen Spulen zueinander stabilisiert sind. Insbesondere sind hierbei die elektrischen Spulen auf etwaige Zähne des etwaigen Blechpakets aufgesteckt, die senkrecht zu der Achse des Hohlzylinders verlaufen. Die Achse des Hohlzylinders entspricht zweckmäßigerweise einer Rotationsachse eines Rotors der elektrischen Maschine.
-
Beispielsweise sind die ersten Schaltelemente von den elektrische Spulen beabstandet und beispielsweise in einem hiervon separaten Fach eines etwaigen Gehäuses positioniert, das insbesondere fluiddicht zu den elektrischen Spulen ausgestaltet ist. Alternativ sind die ersten Schaltelemente in dem gleichen Raum/Fach wie der etwaige Rotor positioniert.
-
Zweckmäßigerweise umfasst die elektrische Maschine eine Leiterplatte. Die Leiterplatte ist beispielsweise aus einem glasfaserverstärkten Epoxidharz gefertigt und umfasst vorzugsweise eine Anzahl an Leiterbahnen. Vorzugsweise ist der Hohlzylinder mittels der Leiterplatte stirnseitig abgedeckt, die somit im Wesentlichen senkrecht zur Achse des Hohlzylinders angeordnet ist. Beispielsweise ist die Leiterplatte an dem etwaigen Blechpaket und/oder den etwaigen Trägern befestigt, auf die die elektrischen Spulen gewickelt sind. Beispielsweise ist die Leiterplatte rechteckförmig ausgestaltet. Besonders bevorzugt jedoch ist die Leiterplatte kreisförmig oder ringförmig, sodass diese an die Form des Hohlzylinders angepasst ist. An der Leiterplatte sind insbesondere die ersten Schaltelemente befestigt, vorzugsweise mittels Löten. Sofern die zweiten Schaltelemente oder weitere Schaltelemente vorhanden sind, sind diese vorzugsweise ebenfalls an der Leiterplatte befestigt. Das Anlöten der einzelnen Bauelemente, wie z. B. der ersten Schaltelemente, an der Leiterplatte erfolgt vorzugsweise mittels SMD-Technik. Mit anderen Worten sind die Schaltelemente als SMD-Bauteile ausgestaltet.
-
Vorzugsweise sind die ersten Spulenende und/oder die zweite Spulenenden mit etwaigen elektrischen Leiterbahnen der Leiterplatte elektrisch kontaktiert, beispielsweise dort angelötet oder mittels einer Steckverbindung dort angesteckt. Beispielsweise wird hierfür eine Schneidklemmkontaktierung verwendet. Da die Stirnseite des Hohlzylinders mittels der Leiterplatte abgedeckt ist, ist es ermöglicht, die Spulenenden jeder elektrischen Spule vergleichsweise kurz auszugestalten, was eine Störstrahlung weiter verhindert. Auch ist eine Robustheit erhöht. Ferner ist ein elektrischer Widerstand verringert. Zudem ist es nicht erforderlich, die Spulenenden durch eine etwaige Trennwand zu führen, was Herstellungskosten weiter reduziert.
-
Zum Beispiel ist der erste und/oder zweite Pol mittels eines Anschlusses an der Leiterplatte gebildet oder diese sind mit der Leiterplatte mittels einer anderen Leitung, beispielsweise eines Kabels oder eines Stanzgitters, elektrisch kontaktiert. Da die Stirnseite des Hohlzylinders mittels der Leiterplatte abgedeckt ist, ist ein benötigter Bauraum verringert, sodass eine vergleichsweise kompakt elektrische Maschine bereitgestellt ist. Insbesondere befindet sich hierbei die Leiterplatte innerhalb eines etwaigen gleichen Gehäuseraums wie die elektrischen Spulen. Sofern sich darin beispielsweise eine Flüssigkeit befindet, sind die Leiterplatte sowie die etwaigen daran angebundenen Bauelemente, wie die ersten Schaltelemente, auf diese Flüssigkeit abgestimmt.
-
Zum Beispiel weist die elektrische Maschine eine weitere Leiterplatte auf, die eine etwaige Treiberschaltung umfasst. Diese ist zweckmäßigerweise in einem separaten Fach angeordnet, die insbesondere von einem Gehäuseraum beabstandet ist und/oder fluidtechnisch getrennt ist, innerhalb dessen die elektrischen Spulen angeordnet sind. Somit ist es möglich, die Treiberschaltung mittels vergleichsweise kostengünstigen Bauelementen zu fertigen. Besonders bevorzugt jedoch ist die etwaige Treiberschaltung für die ersten Schaltelemente ebenfalls an der Leiterplatte angelötet. Somit ist die Treiberschaltung in der Nähe der ersten Schaltelemente positioniert. Zweckmäßigerweise erfolgt die Ansteuerung der Treiberschaltung mittels eines Controllers, der vorzugsweise an der etwaigen weiteren Leiterplatte befestigt ist.
-
Besonders bevorzugt weist die elektrische Maschine eine Kapazität auf, mittels derer der erste Pol und der zweite Pol elektrisch verbunden sind. Die Kapazität wirkt somit als Puffer und ist beispielsweise ein sogenannter Zwischenkreiskondensator. Insbesondere ist die Kapazität mittels eines elektrischen Kondensators gebildet, oder die Kapazität weist mehrere derartige elektrische Kondensatoren auf, die geeignet zueinander verschaltet sind, beispielsweise elektrisch parallel oder elektrisch in Reihe. Zusammenfassend ist die Kapazität bevorzugt parallel zu den elektrischen Spulen geschaltet, insbesondere sofern die zweiten Schaltelemente vorhanden sind. Aufgrund der Kapazität werden bei Betätigung der ersten Schaltelemente auftretende Schaltspitzen abgefangen, sodass eine Rückwirkung, beispielsweise in ein Bordnetz des Kraftfahrzeugs, verringert ist. Hierbei ist es möglich, die ersten Schaltelemente zeitlich sukzessive zu betätigen, also nicht zeitgleich. Somit sind die auftretenden Schaltspitzen vergleichsweise gering, und es ist möglich, eine vergleichsweise kleine elektrische Kapazität heranzuziehen, beispielsweise einen vergleichsweise kostengünstigen Elektrolytkondensator.
-
Das Verfahren dient dem Betrieb einer elektrischen Maschine. Die elektrische Maschine wird hierbei als Elektromotor betrieben, sodass mittels dieser eine Kraft aufgebracht wird, insbesondere auf ein Bauteil, wie ein Verstellteil. Die elektrische Maschine ist ein Bestandteil eines Kraftfahrzeugs und bevorzugt ein Bestandteil eines elektromotorischen Nebenaggregats. Die elektrische Maschine weist einen Gleichstromanschluss mit einem ersten Pol und einem zweiten Pol auf. Zudem umfasst die elektrische Maschine einen Stator, der mehr als drei elektrische Sputen umfasst. Jede der elektrischen Spulen weist ein erstes Spulenende und ein zweites Spulenende auf, zwischen denen zweckmäßigerweise ein Spulenkörper angeordnet ist. Vorzugsweise bilden die Spulenenden die jeweiligen Enden eines Lackdrahts, aus dem die jeweilige elektrische Spule erstellt ist, und sind vorzugsweise als Freienden ausgestaltet. Jedes erste Spulenende ist elektrisch mittels jeweils eines ersten Schaltelements mit dem ersten Pol kontaktiert. Vorzugsweise ist jedes erste Spulenende zudem mittels jeweils eines zweiten Schaltelements mit dem zweiten Pol elektrisch kontaktiert. Besonders bevorzugt ist jedes zweite Spulenende mit dem ersten Spulenende einer der weiteren, beispielsweise der benachbarten, elektrische Spule elektrisch kontaktiert.
-
Beispielsweise ist die elektrische Maschine ein Außenläufer. Besonders bevorzugt jedoch ist die elektrische Maschine als Innenläufer ausgestaltet, und der Stator umgibt vorzugsweise einen Rotor der elektrischen Maschine umfangsseitig. Der Rotor umfasst vorzugsweise eine Welle, mittels derer eine Lagerung von Permanentmagneten erfolgt, die an der Welle angebunden sind, beispielsweise direkt oder mittels eines weiteren Bestandteils, wie eines Blechpakets. Zweckmäßigerweise weist das Blechpaket mehrere Aussparungen auf, innerhalb derer jeweils einer der Permanentmagneten angeordnet ist.
-
Das Verfahren sieht vor, dass die ersten Schaltelemente mittels Pulsmodulation betrieben werden. Hierfür wird beispielsweise eine Pulsamplitudenmodulation (PAM), eine Pulslängenmodulation (PLM) oder eine Pulsweitenmodulation (PWM) herangezogen. Besonders bevorzugt wird die Pulsweitenmodulation (PWM) verwendet. Bei der Pulsmodulation werden sämtliche ersten Schaltelemente mit einer gleichen Taktfrequenz (Schaltfrequenz) betrieben, die beispielsweise zwischen 10 kHz und 100 kHz oder zwischen 15 kHz und 50 kHz liegt. Insbesondere wird als Taktfrequenz 20 kHz herangezogen, wobei jeweils beispielsweise eine Abweichung von 5 kHz, 2 kHz, 1 kHz oder 0 kHz vorhanden ist.
-
Wenn die elektrischen Spulen oder zumindest ein Teil davon bestromt werden soll, wird eine Zeitspanne bestimmt, während derer die Bestromung erfolgen soll. Hierbei wird insbesondere nicht in der vollständigen Zeitspanne jeweils mittels der ersten Schaltelemente ein elektrischer Strom geführt, sondern lediglich für einen bestimmten Bruchteil, wobei der Bruchteil in Abhängigkeit der bestimmten Leistungsanforderung gewählt wird. So erfolgt insbesondere bei der Pulsweitenmodulation und einer Taktfrequenz von 20 kHz ein Einschalten der jeweiligen ersten Schaltelemente im Wesentlichen alle 5×10-5 Sekunden. Die Ausschaltzeitpunkte liegen hierbei zwischen den jeweiligen Einschaltzeitpunkten, und diese werden in Abhängigkeit der gewünschten Leistungsanforderung gewählt.
-
Das Verfahren sieht nun vor, dass zumindest zwei der ersten Schaltelemente um einen Phasenwinkel zueinander versetzt angesteuert. Somit werden insbesondere zwei der elektrischen Spulen um den Phasenwinkel zueinander versetzt bestromt. Der Phasenwinkel ist größer als 0° und kleiner als 360°, beispielsweise größer als 5° und kleiner als 355°. Somit werden zumindest zwei der elektrischen Spulen, sofern diese angesteuert werden sollen, nicht zeitgleich eingeschaltet also angesteuert. Somit ist eine Änderung eines über die elektrische Maschine fließenden elektrischen Stroms verringert. Dabei besteht eine Änderung über einen vergrößerte Zeitdauer, wohingegen die Änderung an sich vergleichsweise gering ist. Infolgedessen ist eine Rückwirkung auf ein Bordnetz, mittels dessen die elektrische Maschine bestromt ist, verringert. Auch ist eine Ausbreitung von elektromagnetischen Schwingungen verkleinert. Zudem wirkt die phasenversetzte Ansteuerung für den Gleichstromanschluss und die etwaige vorhandene Kapazität wie der Betrieb mit einer erhöhten Taktfrequenz, sodass dort eine Belastung verringert ist. Auch ist ein Abstrahlen von elektromagnetischen Wellen verringert, was eine elektromagnetische Verträglichkeit erhöht.
-
Die elektrische Maschine weist insbesondere eine Steuereinheit auf, die geeignet, insbesondere vorgesehen und eingerichtet ist, das Verfahren durchzuführen. Die Steuereinheit ist beispielsweise mittels eines anwenderspezifischen Schaltkreis (ASIC) gebildet und/oder umfasst einen programmierbaren Mikrocontroller. Insbesondere erfolgt die Ansteuerung der ersten Schaltelemente mittels einer Treiberschaltung, mittels derer somit auch die phasenversetzte Ansteuerung erfolgt.
-
Sofern die zweiten Schaltelemente oder weitere Schaltelemente vorhanden sind, werden diese insbesondere ebenfalls mit der gleichen Taktfrequenz betrieben, wobei vorzugsweise ebenfalls zwei davon zueinander um den Phasenwinkel versetzt angesteuert werden. Insbesondere werden hierbei die ersten Schaltelemente mit dem gleichen Versatz wie die dem gleichen Spulenende zugeordneten etwaigen zweiten Schaltelemente angesteuert.
-
Beispielsweise wird eine Teilmenge der elektrischen Spulen bestimmt, die für eine Zeitspanne bestromt werden soll. Die Zeitspanne ist länger als der anhand der Taktfrequenz vorgegebene Zeitraum und ist insbesondere abhängig von einer Leistungsanforderung. Während der Zeitspanne sollen somit die elektrischen Spulen der Teilmenge bestromt werden, wobei beispielsweise die jeweils zugeordneten ersten Schaltelemente während der Zeitspanne nicht durchgehend Strom führend sind. Aufgrund einer Induktivität der elektrischen Spulen jedoch wird während der Zeitspanne insbesondere jeweils ein Fluß des elektrischen Stroms durch die jeweilige elektrische Spule aufrechterhalten, sodass diese von 0 A abweicht.
-
Die Teilmenge umfasst dabei zumindest zwei der elektrischen Spulen. Die Teilmenge korrespondiert zweckmäßigerweise zu einer der sonst gebildeten Phasen der elektrischen Maschine. Insbesondere liegt zwischen jeweils benachbarten elektrischen Spulen der gleichen Teilmenge jeweils zwei weitere der elektrischen Spulen der elektrischen Maschine, die nicht Bestandteil der Teilmenge sind, insbesondere in tangentialer Richtung. Vorzugsweise sind hierbei dazwischen genau zwei der weiteren elektrischen Spulen jeweils angeordnet.
-
Vorzugsweise sind mehrere derartige Teilmengen gebildet, und jede der Teilmenge weist dabei mehrere der elektrischen Spulen auf. Geeigneterweise sind insgesamt drei derartige Teilmengen vorhanden, und die elektrischen Spulen sind auf die drei Teilmengen aufgeteilt. Hierbei wird für jede Teilmenge insbesondere eine Zeitspanne bestimmt, innerhalb derer die elektrische Spulen der jeweiligen Teilmenge bestromt werden sollen.
-
Die den elektrischen Spulen der Teilmenge zugeordneten erste Schaltelemente werden bevorzugt zueinander jeweils um den Phasenwinkel phasenversetzt bestromt. Geeigneterweise werden sämtliche erste Schaltelemente zueinander jeweils um den Phasenwinkel phasenversetzt bestromt. Mit anderen Worten werden die elektrischen Spulen der Teilmenge nicht zeitgleich bestromt. Somit ist eine absolute Änderung des mittels der elektrischen Maschine geführten elektrischen Stroms aufgrund der Betätigung der ersten Schaltelemente verringert, was eine Rückwirkung in ein Bordnetz weiter verringert und die elektromagnetische Verträglichkeit weiter erhöht. Hierbei sind lediglich vergleichsweise wenige Phasenwinkel vorhanden, was ein Ansteuern der ersten Schaltelemente erleichtert.
-
Beispielsweise sind erfolgt keine phasenversetzte Ansteuerung von ersten Schaltelement sind, die unterschiedlichen Teilmengen zugeordnet sind. Diese werden jedoch insbesondere lediglich selten zeitgleich zueinander betätigt, sodass auch weiterhin lediglich vergleichsweise geringe Stromänderungen erfolgen.
-
Vorzugsweise ist der Phasenwinkel bei jeder Teilmenge konstant und beispielsweise gleich dem Quotienten aus 360° und der Anzahl der elektrischen Spule der Teilmenge. Somit ist eine gleichmäßige Belastung des Bordnetzes gegeben, und eine Überbelastung vermieden. Sofern beispielsweise der Teilmenge drei der elektrischen Spulen zugeordnet sind, ist zwischen diesen somit ein Phasenversatz von 120° vorhanden. Sofern dabei wird als Taktfrequenz 20 kHz herangezogen wird, wirkt ein derartiger Phasenversatz auf den Gleichstromanschluss als Ansteuerung der ersten Schaltelemente mit der dreifachen Taktfrequenz, also mit 60 kHz. Somit ist eine Belastung des Gleichstromanschlusses sowie der etwaigen Kapazität weiter verringert.
-
In einer alternativen Ausgestaltungsform sind sämtliche ersten Schaltelemente zueinander phasenversetzt bestromt. Hierbei ist insbesondere jedem der ersten Schaltelemente ein Phasenwinkel zugeordnet, der beispielsweise fix ist. Die Ansteuerung mit dem Phasenwinkel erfolgt dabei beispielsweise lediglich dann, wenn ein Bedarf besteht, wobei hier jeweils der zugeordnete Phasenwinkel herangezogen wird. Insbesondere ist der Phasenwinkel konstant und entspricht vorzugsweise dem Quotienten aus 360° und der Anzahl sämtlicher elektrischer Spulen. Aufgrund einer derartigen Wahl des Phasenwinkels ist somit die auf den Gleichstromanschluss wirkende Taktfrequenz gleich dem Produkt aus der tatsächlichen Taktfrequenz unter der Anzahl der elektrischen Spulen, weswegen auf diesen eine vergleichsweise hohe Taktfrequenz wirkt. Somit sind eine Belastung und eine Rückwirkung auf ein etwaiges Bordnetz weiter verringert. Auch ist es möglich, die etwaige vorhandene Kapazität vergleichsweise klein zu dimensionieren, was Herstellungskosten weiter verringert.
-
Das elektromotorische Nebenaggregat ist ein Bestandteil eines Kraftfahrzeugs und weist eine elektrische Maschine auf, die insbesondere als Elektromotor wirkt. Vorzugsweise weist das elektromotorische Nebenaggregat ein weiteres Bauteil auf, das mittels der elektrischen Maschine angetrieben ist, oder von dieser angetrieben wird. Beispielsweise ist das elektromotorische Nebenaggregat ein (elektromotorischer) Verstellantrieb. Bei Betrieb wird mittels des Verstellantriebs dabei ein Verstellteil entlang eines Verstellwegs verbracht. Zum Beispiel ist der Verstellantrieb ein (elektromotorischer) Fensterheber, eine elektromotorisch betriebene Heckklappe oder eine elektromotorisch betriebene Tür, wie eine Schiebetür. Alternativ hierzu ist der Verstellantrieb ein elektromotorisches Schiebedach oder ein elektromotorisch betriebenes Verdeck. In einer weiteren Alternative ist das elektromotorische Nebenaggregat eine Pumpe, wie beispielsweise eine Schmiermittelpumpe. Insbesondere ist das elektromotorische Nebenaggregat eine Ölpumpe, beispielsweise eine Motoröl- oder eine Getriebeölpumpe. Zweckmäßigerweise ist das elektromotorische Nebenaggregat eine elektromotorische Lenkunterstützung oder eine ABS- oder ESP-Einheit. In einer weiteren Alternative ist das elektromotorische Nebenaggregat eine elektromotorische Parkbremse oder eine sonstige elektrische Bremse. Zum Beispiel ist das elektromotorische Nebenaggregat ein Bestandteil eines Fahrzeugsitzes und dient beispielsweise der Verstellung des Sitzes oder eines Teils des Sitzes, wie einer Lehne oder einer Kopfstütze. Insbesondere ist das elektromotorische Nebenaggregat eine Massageeinrichtung des Fahrzeugsitzes. Mit anderen Worten wird bei Betrieb des elektromotorischen Nebenaggregats eine Massagefunktion ausgeführt. Hierbei wird beispielsweise ein Bestandteil des Sitzes, wie die Sitzfläche oder eine Lehne bewegt, insbesondere periodisch.
-
In einer Alternative ist das elektromotorische Nebenaggregat eine Kühlmittelpumpe oder besonders bevorzugt ein Kältemittelverdichter. Mittels des (elektromotorischen) Kältemittelverdichters wird bei Betrieb ein Kältemittel komprimiert. Das Kältemittel ist beispielsweise ein chemisches Kältemittel, wie R134a oder R1234yf. Alternativ ist das Kältemittel CO2. Vorzugsweise ist der Kältemittelverdichter derart ausgelegt, dass mittels dessen das jeweilige Kältemittel komprimiert werden kann, wobei beispielsweise eine Druckerhöhung zwischen 5bar und 20bar erfolgt.
-
Der Kältemittelverdichter ist insbesondere ein Bestandteil eines Kältemittelkreislaufs (Kältekreislauf), der beispielsweise der Klimatisierung eines Innenraums oder der Abkühlung eines Energiespeichers des Kraftfahrzeugs dient, wie einer Hochvoltbatterie. Der Kältemittelkreislauf umfasst ferner insbesondere einen (Klima-)Kondensator, und einen Verdampfer. Der Kondensator ist fluidtechnisch zwischen den elektromotorischen Kältemittelverdichter und den Verdampfer geschaltet. Vorzugsweise umfasst der Kältemittelkreislauf einen weiteren Wärmetauscher, der zwischen den Verdampfer und den elektromotorischen Kältemittelverdichter geschaltet ist, und der vorzugsweise thermisch mit einem weiteren Bauteil des Kraftfahrzeugs kontaktiert ist, wie einer Gebläseleitung einer Klimaanlage oder einem Energiespeicher, wie einem Hochvoltenergiespeicher. Der Kältemittelkreislauf ist insbesondere mit einem Kältemittel befüllt, beispielsweise einem chemischen Kältemittel, wie R134a, R1234yf, oder mit CO2.
-
Mittels des elektromotorischen Kältemittelverdichters wird bei Betrieb ein Druck des Kältemittels erhöht, welches im Anschluss zu dem Kondensator geleitet wird, der vorzugsweise in thermischem Kontakt mit einer Umgebung des Kraftfahrzeugs ist. Geeigneterweise erfolgt mittels des Kondensators eine Temperaturangleichung des Kältemittels an die Umgebungstemperatur oder zumindest eine Temperaturerniedrigung des Kältemittels. Mit dem nachgeschalteten Verdampfer wird das Kältemittel entspannt, weshalb die Temperatur des Kältemittels weiter verringert wird. In dem nachgeschalteten weiteren Wärmetauscher wird von dem mit dem weiteren Wärmetauscher thermisch kontaktierten Bauteil thermische Energie auf das Kältemittel übertragen, was zu einer Abkühlung des Bauteils und einer Erwärmung des Kältemittels führt. Das erwärmte Kältemittel wird zum Schließen des Kältemittelkreislaufs vorzugsweise erneut dem Kältemittelverdichter zugeführt.
-
Der elektromotorische Kältemittelverdichter weist beispielsweise einen Verdichterkopf auf. Der Verdichterkopf selbst dient der Bewegung und Kompression des Kältemittels. Hierfür ist der Verdichterkopf geeignet eingerichtet und vorgesehen. Vorzugsweise weist der Verdichterkopf mehrere Bauteile auf, die zueinander relativ beweglich sind, um eine Kompression zu erreichen. Der Verdichterkopf weist einen Verdichterauslass auf, durch den bei Betrieb das komprimierte Kältemittel ausgestoßen wird. Insbesondere weist der Verdichterkopf einen Verdichtereinlass auf, durch den bei Betrieb das unverdichtete Kältemittel eingeleitet, beispielsweise eingesaugt, wird. Hierbei ist die Dichte des Kältemittels auf Seiten des Verdichtereinlass geringer als auf Seiten des Verdichterauslass bei Betrieb des elektromotorischen Kältemittelverdichters. Beispielsweise erfolgt bei Betrieb ein kontinuierliches Ansaugen des Kältemittels.
-
Das elektromotorische Nebenaggregat weist zweckmäßigerweise ein Gehäuse auf, das beispielsweise im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgestaltet ist. Geeigneterweise ist das Gehäuse einstückig. Zum Beispiel ist die elektrische Maschine innerhalb des Gehäuses angeordnet. Die elektrische Maschine weist einen Gleichstromanschluss mit einem ersten Pol und einem zweiten Pol auf. Insbesondere weist die elektrische Maschine einen geeigneten Stecker auf, mittels dessen der Gleichstromanschluss bereitgestellt ist. Bei Betrieb liegen zwischen den beiden Polen beispielsweise eine elektrische Spannung zwischen 10 V und 50 V, beispielsweise 12 V, 24 V oder 48 V an. Alternativ liegt an den Polen eine elektrische Spannung zwischen 100 V und 1000 V, 200 V und 800 V an, beispielsweise 288 V, 450 V, 650 V oder 830 V. Die elektrische Maschine ist geeignet, insbesondere vorgesehen und eingerichtet, die jeweilige elektrische Spannung zu tragen.
-
Ferner weist die elektrische Maschine einen Stator auf, der mehr als drei elektrische Spulen aufweist. Insbesondere ist die Anzahl der elektrischen Spulen ein ganzzahliges Vielfaches von drei, also beispielsweise 6, 9, 12, ... Mit anderen Worten weist die elektrische Maschine genau sechs elektrische Spulen, neun elektrische Spulen bzw. zwölf elektrische Spulen auf. Insbesondere ist der Stator mittels der elektrischen Spulen gebildet. Alternativ hierzu ist der Stator mittels der elektrischen Spulen sowie einem etwaigen Blechpakets gebildet, mittels dessen die einzelnen elektrischen Spulen zueinander stabilisiert sind. Insbesondere sind die elektrischen Spulen zueinander separate Bauteile und/oder mittels Einzelzahnwicklung erstellt. Hierfür ist jede elektrische Spule zweckmäßigerweise auf einen geeigneten Träger gewickelt, der insbesondere aus einem Kunststoff erstellt ist. Vorzugsweise sind die elektrischen Spulen sowie deren jeweils zugeordneter etwaiger Träger baugleich und werde insbesondere zueinander separat gefertigt.
-
Jede der elektrischen Spulen weist ein erstes Spulenende und ein zweites Spulenende auf, zwischen denen insbesondere eine Spulenwicklung vorhanden ist. Zweckmäßigerweise sind die elektrischen jeweils mittels deren Spulenenden begrenzt, die somit jeweils ein Freiende bilden. Insbesondere sind die elektrischen Spulen jeweils einstückig ausgestaltet und zweckmäßigerweise aus einem Lackdraht gewickelt, beispielsweise einem Aluminiumlackdraht oder einem Kupferlackdraht. Jedes erste Spulenende ist mittels jeweils eines ersten Schaltelements mit dem ersten Pol elektrisch kontaktiert. Somit weist die elektrische Maschine genauso viele erste Schaltelemente wie elektrische Spulen auf.
-
Vorzugsweise ist die elektrische Maschine als Elektromotor betrieben, wofür insbesondere ein Verfahren herangezogen wird, bei dem die ersten Schaltelemente mittels einer Pulsmodulation mit gleicher Taktfrequenz betrieben werden. Dabei werden zumindest zwei der ersten Schaltelemente um einen Phasenwinkel zueinander versetzt angesteuert. Der Phasenwinkel ist größer als 0° und kleiner als 360°. Zweckmäßigerweise ist der Phasenwinkel zwischen 5° und 355°. Geeigneterweise weist elektrische Maschine eine Steuereinheit auf, die geeignet, insbesondere vorgesehen und eingerichtet ist, das Verfahren durchzuführen.
-
Beispielsweise erfolgt die Bestromung der elektrischen Spulen gemäß einer Leistungsanforderung, die beispielsweise in Abhängigkeit von aktuellen Anforderungen erstellt wird. Insbesondere wird die Leistungsanforderung von einem Bordcomputer des Kraftfahrzeugs zu dem elektromotorischen Nebenaggregats übermittelt. Vorzugsweise ist im Montagezustand die elektrische Maschine mit einem Bus-System des Kraftfahrzeugs signaltechnisch gekoppelt. Insbesondere ist das Bus-System ein CAN- oder LIN-Bus-System. Die elektrische Maschine oder zumindest das elektromotorische Nebenaggregat weist bevorzugt einen Stecker für das Bus-System auf und arbeitet vorzugsweise zumindest teilweise nach dem Standard des Bus-Systems.
-
Sofern ein Bauteil als erstes, zweites, ... Bauteil bezeichnet wird, ist insbesondere lediglich darunter ein bestimmtes Bauteil zu verstehen. Insbesondere bedeutet dies nicht, dass eine bestimmte Anzahl an derartigen Bauteilen vorhanden ist.
-
Die im Zusammenhang mit der elektrischen Maschine erläuterten Weiterbildungen und Vorteile sind sinngemäß auch auf das Verfahren und/oder das elektromotorische Nebenaggregat zu übertragen und umgekehrt
-
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
- 1 schematisch ein Kraftfahrzeug mit einem elektromotorischen Kältemittelverdichter,
- 2 in einer Schnittdarstellung schematisch vereinfacht den elektromotorischen Kältemittelverdichter mit einem Elektromotor,
- 3 schematisch eine Verschaltung von elektrischen Spulen des Elektromotors,
- 4 perspektivisch ausschnittsweise die zu einem Hohlzylinder angeordneten elektrischen Spulen, auf den stirnseitig eine Leiterplatte aufgesetzt ist,
- 5 den Elektromotor gemäß 4 mit abgenommener Leiterplatte,
- 6 einen zeitlichen Verlauf der Bestromung der einzelnen elektrischen Spulen, und
- 7 einen zeitlichen Verlauf der Bestromung der einzelnen elektrischen Spulen in einer weitere Ausgestaltungsform.
-
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
-
In 1 ist schematisch vereinfacht ein Kraftfahrzeug 2 mit zwei Vorderrädern 4 und zwei Hinterrädern 6 dargestellt. Zumindest zwei der Räder 4, 6 sind mittels eines nicht näher gezeigten Hauptantriebs angetrieben, beispielsweise einer Verbrennungskraftmaschine, einem Elektromotor oder einer Kombination hieraus. Das Kraftfahrzeug 2 umfasst einen Kältemittelkreislauf 8, der ein Bestandteil einer Klimaanlage ist. Der Kältemittelkreislauf 8 ist mit einem Kältemittel 10 befüllt, beispielsweise CO2, R1234yf oder R134a. Das Kraftfahrzeug 2 weist ferner ein elektromotorisches Nebenaggregat 12 in Form eines elektromotorischen Kältemittelverdichters auf. Der elektromotorische Kältemittelverdichter 12 ist dabei ein Bestandteil des Kältemittelkreislaufs 8.
-
Mittels des elektromotorischen Kältemittelverdichters (eKMV) 12 wird das Kältemittel 10 verdichtet und einem fluidtechnisch nachgeschalteten Kondensator 14 zugeführt, der mit Umgebungsluft beaufschlagt ist, was zu einer Temperaturabsenkung des Kältemittels 10 führt. Der Druck und somit die Temperatur des Kältemittel 10 wird mittels eines nachgeschalteten Verdampfers 16 erniedrigt, der einen nicht näher dargestellten weiteren Wärmetauscher umfasst, der mit einer Gebläseleitung der Klimaanlage thermisch gekoppelt ist. Die Gebläseleitung fördert in Abhängigkeit einer Benutzereinstellung gekühlte Luft in einen Innenraum des Kraftfahrzeugs 2.
-
Der elektromotorische Kältemittelverdichter 12 ist mittels eines Bus-Systems 18, das ein CAN-Bus-System oder ein Lin-Bus-System ist, signaltechnisch mit einer Kraftfahrzeugsteuerung 20 gekoppelt, wie einem Bordcomputer. Mittels eines Bordnetzes 22, welches die jeweilige elektrische Spannung, beispielsweise 48V, führt und mittels einer Batterie 24 gespeist ist, wird der elektromotorische Kältemittelverdichter 12 bestromt. Das Bordnetz 22 umfasst ferner eine Sicherungseinrichtung 26, mittels derer ein elektrischer Stromfluß zwischen der Batterie 24 und dem Kältemittelverdichter 12 unterbunden werden kann. Hierfür weist die Sicherungseinrichtung 26 beispielsweise einen Last- und/oder Schutzschalter auf. Die Sicherungseinrichtung 26 ist mittels des Bus-Systems 18 oder anderweitig signaltechnisch mit der Kraftfahrzeugsteuerung 20 verbunden, sodass mittels der Kraftfahrzeugsteuerung 20 der Last- bzw. Schutzschalter betätigt und somit der elektrische Stromfluß unterbunden werden kann.
-
2 zeigt schematisch vereinfacht den (elektromotorischen) Kältemittelverdichter 12 in einer Schnittdarstellung entlang einer Rotationsachse (Drehachse) 28 einer als Elektromotor ausgestalteten elektrischen Maschine 30 des Kältemittelverdichters 12. Der Elektromotor 30 ist ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC) und weist einen zylindrischen Rotor 32 auf, der umfangsseitig mittels eines hohlzylindrischen Stators 34 umgeben ist. Der Rotor 32 ist drehfest an einer konzentrisch zur Rotationsachse 28 angeordneten Welle 36 befestigt, die mittels zweier nicht näher dargestellter Lager in Form von Kugellagern drehbar um die Rotationsachse 28 gelagert ist. Zum Beispiel ist die Welle 36 ein Bestandteil des Rotors 32.
-
Der Rotor 32 und der Stator 24 sind in einem Motorfach 38 eines Gehäuses 40 angeordnet, welches sich entlang der Rotationsachse 28 erstreckt und hohlzylindrisch ausgestaltet ist. Mit anderen Worten verläuft das Motorfach 38 entlang einer Axialrichtung A, die parallel zur Rotationsachse 28 ist. An einem Ende in Axialrichtung A ist das Motorfach 38 mittels eines topfförmigen Deckels 42 verschlossen, der an dem Gehäuse 40 angebunden ist. In dem Deckel 42 ist ein Verdichterkopf 44 in Form eines Scroll-Verdichterkopfs angeordnet ist. Der Scroll-Verdichterkopf weist zwei Scroll-Teile auf, nämlich ein feststehendes Scroll-Teil und ein drehbares Scrolls-Teil auf. Das feststehende Scroll-Teil ist drehfest an dem Deckel 42 befestigt. Das drehbare Scroll-Teil ist drehfest an der Welle 36 befestigt oder zumindest in Wirkverbindung mit dieser, sodass das drehbares Scroll-Teil bei einer Rotationsbewegung der Welle 36 bezüglich des feststehendes Scroll-Teils bewegt wird. Zwischen den beiden Scroll-Teilen ist eine Anzahl an Kammern gebildet, deren Volumen bei einer Drehbewegung der Welle 36 verändert wird. Dabei wird das sich in den Kammern befindende Kältemittel 10 sukzessive verdichtet. Der Deckel 42 ist mit einem Ablauf 46 verbunden, der einen nicht näher dargestellten Ölabscheider aufweist.
-
An dem dem Deckel 42 in Axialrichtung A gegenüberliegenden Ende ist an das Motorfach 38 ein Elektronikfach 48 angeformt, das mittels einer dazwischenliegenden und im Wesentlichen senkrecht zur Axialrichtung A verlaufenden Trennwand 50 von dem Motorfach 38 getrennt ist, die somit im Wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse 28 angeordnet ist. Das Elektronikfach 48 ist im Wesentlichen topfförmig ausgestaltet, wobei die Trennwand 50 den Topfboden bildet. Das Elektronikfach 48 ist auf der der Trennwand 50 gegenüberliegenden Seite mit einem Elektronikfachdeckel 52 verschlossen, der aus einem Blech mittels Stanzen gefertigt ist. Der Elektronikfachdeckel 56 ist auf einen Rand des Elektronikfachs 48 aufgesetzt und mittels nicht näher gezeigter Schrauben dort lösbar befestigt.
-
Das Elektronikfach 48, das Motorfach 38 und die Trennwand 50, also das Gehäuse 40, sind einstückig miteinander und aus Aluminium in einem Druckgussverfahren erstellt. Mit anderen Worten sind das Elektronikfach 40, das Motorfach 38 und die Trennwand 50 ein Aluminiumdruckguss. Zusammenfassend ist das Gehäuse 40 aus einem Aluminium erstellt.
-
Bei Betrieb des elektromotorischen Nebenaggregats 12 wird der Elektromotor 30 bestromt und somit der Rotor 32, der eine Anzahl an nicht näher dargestellten Permanentmagneten aufweist bezüglich des Stators 34 um die Rotationsachse 28 rotiert. Ferner wird über einen Zulauf 54 des Gehäuses 40 das Kältemittel 10 in das Motorfach 38 im Bereich der Trennwand 50 geleitet. Aufgrund der Trennwand 50 wird ein Übertritt des Kältemittels 10 in das Elektronikfach 48 verhindert. Das Kältemittel 10 wird entlang des Elektromotors 30 zu dem Verdichterkopf 44 gesaugt und dort komprimiert, sodass eine Druckerhöhung und somit auch eine Verdichtung des Kältemittels 10 erfolgt. Das verdichtete Kältemittel 10 wird über den Ablauf 46 zu dem Kondensator 14 geleitet.
-
Der Stator 34 des Elektromotors 30 weist mehrere elektrische Spulen 56 auf, deren Verschaltung in 3 dargestellt ist. Der Stator 34 weist in diesem Beispiel zwölf derartige elektrische Spulen auf, was somit ein ganzzahliges Vielfaches von drei elektrischen Spulen 56 ist. Die elektrischen Spulen 56 sind, wie in 4 und 5 gezeigt, zu einem Hohlzylinder 58 angeordnet, dessen Achse mit der Rotationsachse 28 zusammen fällt. Jede der elektrischen Spulen 56 weist einen Spulenkörper 60 auf, der auf einen Träger 62 gewickelt ist, der aus einem Kunststoff gefertigt ist. Jeder Spulenkörper 60 endet mit einem ersten Spulenende 64 sowie einem zweiten Spulenende 66. Die elektrischen Spulen 56 sind hierbei einstückig aus einem Kupferlackdraht gewickelt, und die Baueinheit aus elektrischer Spule 56 sowie jeweiligem Träger 62 sind separat hergestellt worden.
-
Im Montagezustand sind die Träger 62 und somit auch die elektrischen Spulen 56 auf bezüglich der Rotationsachse 28 radial nach innen gerichteten Zähnen 68 eines Blechpakets 70 aufgesetzt. Hierbei bilden das Blechpaket 70 sowie die elektrische Spulen 56 und die Träger 62 im Wesentlichen den Stator 34.
-
Die elektrischen Spulen 56 sind derart angeordnet, dass jeweils unterschiedliche Spulenenden 64, 66 in einer tangentialen Richtung bezüglich der Rotationsachse 28 direkt nebeneinander angeordnet sind. Diese sind zudem elektrisch miteinander kontaktiert, sodass jedes zweite Spulenende 66 elektrisch mit dem ersten Spulenende 64 der jeweils benachbarten elektrischen Spule 56 elektrisch kontaktiert ist. Die Spulenenden 66, 64 sind durch eine geeignete Öffnung einer ringförmigen Leiterplatte 72 geführt, mittels derer im Montagezustand die Stirnseite des Hohlzylinders 58 abgedeckt ist. Hierbei befindet sich die Leiterplatte 72 innerhalb des Motorfachs 38 und auf Seiten der Trennwand 50 bezüglich der elektrischen Spulen 56.
-
Die Leiterplatte 72 ist aus einem glasfaserverstärkten Epoxidharz gefertigt, an dem mehrere Leiterbahnen aus Kupfer angebunden sind, die nicht näher dargestellten sind. Ferner sind an die Leiterplatte 72 eine Anzahl an ersten Schaltelementen 74 sowie eine weitere Anzahl an zweiten Schaltelement 76 angebunden und mittels SMD-Technik daran angelötet. Die Schaltelemente 74, 76 befinden sich dabei auf der den elektrischen Spulen 56 abgewandten Seite der Leiterplatte 72. Die Anzahl der ersten Schaltelement 74 ist gleich der Anzahl an zweiten Schaltelement 76, wobei die Zahl gleich der Anzahl elektrische Spulen 56 ist. Mit anderen Worten weist der Elektromotor 30 in diesem Beispiel zwölf erste Schaltelement 74 sowie zwölf zweite Schaltelement 76 auf. Die ersten Schaltelemente 74 sowie die zweiten Schaltelemente 76 sind untereinander und zueinander baugleich und jeweils ein Feldeffekttransistor, nämlich ein MOSFET, der aus SiC gefertigt ist.
-
Mittels der ersten Schaltelemente 74 ist jeder der ersten Spulenenden 64 und somit auch jeweils eines der zweite Spulenenden 66 gegen einen ersten Pol 78 eines Gleichstromanschlusses 80 geführt und somit mit diesem elektrisch kontaktiert. Mittels der zweiten Schaltelemente 76 ist jedes erste Spulenende 64 sowie ebenfalls eines der zweiten Spulenenden 66 gegen einen zweiten Pol 82 des Gleichstromanschlusses 80 geführt und elektrisch mit diesem kontaktiert. Somit ist jedem der ersten Spulenenden 64 und daher auch jedem der zweiten Spulenenden 66 jeweils ein mittels eines der ersten sowie eines der zweiten Schaltelemente 74, 76 gebildeten Brückenzweig zugeordnet, mittels dessen der erste Pol 78 mit dem zweiten Pol 82 elektrisch kontaktiert ist. Die einzelnen Brückenzweige sind dabei zueinander elektrisch parallel geschaltet.
-
Der Gleichstromanschlusses 30 ist elektrisch mit dem Bordnetz 22 kontaktiert, und zwischen den beiden Polen 78, 82 liegt somit bei Betrieb eine Gleichspannung von 48 V an. Die elektrische Maschine 30 weist ferner eine Kapazität 84 in Form eines Elektrolytkondensators auf, die ebenfalls an der Leiterplatte 72 auf der der Trennwand 50 zugewandten Seite angelötet ist. Mittels der Kapazität 84 sind der erste Pol 78 und der zweite Pol 82 elektrisch verbunden, und die Kapazität 84 ist somit zu den einzelnen Brückenzweigen elektrisch parallel geschaltet.
-
Die Ansteuerung der Schaltelemente 74, 76 erfolgt mittels einer Treiberschaltung, die ebenfalls an der Leiterplatte 72 befestigt ist. Die Ansteuerung der Treiberschaltung erfolgt mittels eines Controllers 86, der in dem Elektronikfach 48 angeordnet und über eine Durchkontaktierung 88 durch die Trennwand 50 signaltechnisch mit der Leiterplatte 70 verbunden ist. Der Controller 86 ist signaltechnisch mit dem Bus-System 18 verbunden, über das beispielsweise eine Leistungsanforderung empfangen wird. Der Controller 86 weist eine Steuereinheit 92 auf, mittels derer anhand der Leistungsanforderung eine Ansteuerung der Schaltelemente 74, 76 erfolgt. In den 4 und 5 ist der Controller 86 entsprechend einer alternativen Ausgestaltungsform nicht in Axialrichtung A sondern in Radialrichtung bezüglich der Rotationsachse 28 zu der Leiterplatte 72 versetzt.
-
Mittels der Steuereinheit 90 wird ein in 6 gezeigtes Verfahren 92 durchgeführt. Hierbei werden mittels der Steuereinheit 90 Taktsignale 94 generiert, die in dem Beispiel alle 5×10-5 Sekunden erstellt werden. Folglich weist die elektrische Maschine 30 eine Taktfrequenz von 20 kHz auf. Die Taktsignale 94 werden stets unabhängig von einer aktuellen Leistungsanforderung an den elektromotorischen Kältemittelverdichter 12 erstellt. Anhand der Taktsignale 94 erfolgt ein Ansteuern der ersten und der zweiten Schaltelemente 74, 76 in einem Pulsmodulation-Verfahren, nämlich einem Pulsweitenmodulation-Verfahren (PWM).
-
Die elektrischen Spulen 56 sind in insgesamt drei Teilmengen aufgeteilt, von denen jede somit jeweils vier der elektrischen Spulen 56 umfasst. Zwischen jeweils benachbarten elektrischen Spulen 56 jeder Teilmenge befinden sich dabei stets zwei der elektrischen Spulen 56, die nicht der gleichen Teilmenge zugeordnet sind. Die Reihenfolge der Zuordnung der elektrischen Spulen 56 zu den Teilmengen ist in tangentialer Richtung konstant.
-
Je nach Phasenlage des Rotors 32 bezüglich des Stators 34 wird eine der Teilmengen bestimmt, die für eine Zeitspanne bestromt werden soll. Die Zeitspanne ist dabei länger als der Abstand zwischen zwei Taktsignalen 94 und insbesondere proportional zu einer Drehgeschwindigkeit des Rotors 32. Anhand der über das Bus-System 18 übermittelten Leistungsanforderung wird mittels der Steuereinheit 90 eine Bestromungsdauer 96 bestimmt, während derer mittels jeder der elektrischen Spulen 56 zwischen zwei Taktsignalen 94 ein Stromführen erfolgen soll. Bei einer vergleichsweise hohen Leistungsanforderung ist die Bestromungsdauer 96 verlängert, wohingegen bei einer vergleichsweise geringen Leistungsanforderung diese verkürzt ist. Vorzugsweise ist die Bestromungsdauer 96 kleiner als der zeitliche Abstand zwischen jeweils zwei Taktsignalen 94.
-
Entsprechend der Bestromungsdauer 96 werden Schaltsignale 98 generiert, deren zeitlicher Verlauf in 6 dargestellt ist. Der Zeitraum zwischen zwei Schaltsignal, nämlich dem Einschaltsignal und dem Ausschaltsignal entspricht der Bestromungsdauer 98, und die ersten Schaltelemente 74 sowie die zweiten Schaltelemente 76, die dem ersten Spulenende 64 der jeweils in tangentialer Richtung benachbarten elektrischen Spule 46 zugeordnet sind, werden entsprechend der Schaltsignale 98 angesteuert, also ein- bzw. ausgeschaltet.
-
Dabei erfolgte die Ansteuerung eines der dieser Teilmenge zugeordneten ersten Schaltelements 76 zeitgleich mit einem der Taktsignale 94. Ein weiteres der Schaltsignal 98 ist zu diesem um einen Phasenwinkel 100 versetzt, und ein weiteres der Schaltsignal 98 ist zu diesem versetzten Schaltsignal 98 ebenfalls um den Phasenwinkel 100 versetzt. Das letzte Schaltsignal 98 des dieser Teilmenge zugeordneten ersten Schaltelements 74 ist zu diesem wiederum ebenfalls um den Phasenwinkel 100 versetzt, sodass sämtliche Schaltsignale 98 dieser Teilmenge, zueinander um den Phasenwinkel 100 versetzt sind. Mit anderen Worten sind die den elektrischen Spulen 56 der Teilmenge zugeordneten ersten Schaltelemente 74 sowie auch die korrespondierenden zweiten Schaltelemente 76 jeweils zueinander um den Phasenwicklung 100 phasenversetzt. Zusammenfassend erfolgt ein pulsweitenmodulierter Betrieb der ersten und zweiten Schaltelemente 74, 76, wobei jede der elektrischen Spulen 76 separat angesteuert wird. Dabei erfolgt ein Versatz der Ansteuerung um den Phasenwinkel 100. Der Phasenwinkel 100 ist größer als 0° und kleiner als 360° und entspricht genau dem Quotient aus 360° und der Anzahl der elektrischen Spulen 56 der Teilmenge. Folglich ist der Phasenwinkel 100 gleich 90°. Somit wirkt auf die Kapazität 84 eine Schaltfrequenz, die dem Vierfachen von 20 kHz entspricht, nämlich 80 kHz. Infolgedessen ist eine Belastung verringert.
-
In 7 ist eine alternative Ausgestaltungsform des Verfahrens 92 gezeigt, wobei die Erzeugung der Taktsignale 94 sowie die Bestimmung der Bestromungsdauer 96 nicht verändert ist. Hierbei ist jedoch jedem der ersten Schaltelemente 74 unabhängig von der Zuordnung zu einer Teilmenge ein Phasenwinkel 100 zugeordnet. Somit sind sämtliche ersten Schaltelemente 74 sowie auch die jeweiligen zweiten Schaltelemente 76 zueinander um den Phasenwinkel 100 versetzt. Der Phasenwinkel 100 ist konstant und entspricht dem Quotienten aus 360° und der Anzahl der elektrischen Spulen 56. Folglich ist der Phasenwinkel 100 gleich 30°. Somit ergibt sich für die Kapazität 84 ein Schalten mit dem Zwölffachen von 20 kHz, also von 240 kHz. Folglich ist eine Rückwirkung in das Bordnetz 22 sowie eine Abstrahlung von elektromagnetischer Strahlung weiter verringert.
-
Zusammenfassend sind die elektrischen Spulen 56 nicht in Reihe und oder parallel verschaltet, sondern dieser sind jeweils separate Schaltelemente 74, 76 zugeordnet. Aufgrund einer derartigen Verschaltung sowie der Verfahren 92 erfolgt eine Verschiebung der Resonanzfrequenz, die auf den Kapazität 84 wird. Diese ist erhöht, sodass eine elektromagnetische Störstrahlung ebenfalls eine erhöhte Frequenz aufweist. In diesem Bereich ist eine Beeinflussung von weiteren Komponenten des Kraftfahrzeugs 2 verringert und daher eine elektromagnetische Verträglichkeit erhöht.
-
In einer weiteren, nicht näher dargestellten Ausführungsform sind beispielsweise mehrere der elektrischen Spulen 56 zueinander parallel geschaltet und somit den gleichen elektrischen Schaltelemente 74, 76 zugeordnet. Hierbei ist die Anzahl an derart gebildeten Spulenpaaren jedoch größer als drei. Besonders bevorzugt jedoch erfolgt keine Parallelschaltung der elektrischen Spulen 56, sodass dieser einzelnen bestromt werden können.
-
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den einzelnen Ausführungsbeispielen beschriebene Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 2
- Kraftfahrzeug
- 4
- Vorderrad
- 6
- Hinterrad
- 8
- Kältemittelkreislauf
- 10
- Kältemittel
- 12
- elektromotorisches Nebenaggregat
- 14
- Kondensator
- 16
- Verdampfer
- 18
- Bus-System
- 20
- Kraftfahrzeugsteuerung
- 22
- Bordnetz
- 24
- Batterie
- 26
- Sicherungseinrichtung
- 28
- Rotationsachse
- 30
- elektrische Maschine
- 32
- Rotor
- 34
- Stator
- 36
- Welle
- 38
- Motorfach
- 40
- Gehäuse
- 42
- Deckel
- 44
- Verdichterkopf
- 46
- Ablauf
- 48
- Elektronikfach
- 50
- Trennwand
- 52
- Elektronikfachdeckel
- 54
- Zulauf
- 56
- elektrische Spule
- 58
- Hohlzylinder
- 60
- Spulenkörper
- 62
- Träger
- 64
- erstes Spulenende
- 66
- zweites Spulenende
- 68
- Zahn
- 70
- Blechpaket
- 72
- Leiterplatte
- 74
- erstes Schaltelement
- 76
- zweites Schaltelement
- 78
- erster Pol
- 80
- Gleichstromanschluss
- 82
- zweiter Pol
- 84
- Kapazität
- 86
- Controller
- 88
- Durchkontaktierung
- 90
- Steuereinheit
- 92
- Verfahren
- 94
- Taktsignal
- 96
- Bestromungsdauer
- 98
- Schaltsignal
- 100
- Phasenwinkel
- A
- Axialrichtung
