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Die Erfindung betrifft eine Verbindungseinrichtung für einen elektrischen Permanentmagnet-Synchronmotor. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Verbindungseinrichtung für einen elektrischen Permanentmagnet-Synchronmotor.
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Stand der Technik
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Bekannt sind Anwendungen von permanenterregten Synchronmaschinen als Antrieb für Lüfter, zum Beispiel für Kühlerlüfter oder für Fahrgastraumbelüfter im Kraftfahrzeugbereich.
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Für die Ansteuerung bzw. Regelung von elektrischen Synchronmaschinen ist in vielen Fällen die Kenntnis der elektrischen Phasenströme der Synchronmaschinen erforderlich. Die elektrischen Phasenströme werden beispielsweise als Eingangsgröße für Verfahren zur sensorlosen Rotorwinkelschätzung oder für Regelungsverfahren benötigt.
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In einer kostenoptimierten Lösung werden die elektrischen Phasenströme über lediglich einen Shunt im gemeinsamen Masse- bzw. Versorgungspfad von Halbbrücken („1-Shunt-Strommessung“) bestimmt.
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DE 10 2015 202 693 A1 offenbart ein Verfahren zur Strangstrombestimmung in einem elektrischen Mehrphasensystem.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum verbesserten Betreiben eines elektrischen Permanentmagnet-Synchronmotors bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einer Verbindungseinrichtung für einen elektrischen Permanentmagnet-Synchronmotor, aufweisend:
- - eine definierte Anzahl größer zwei von Eingängen zum Anschließen von jeweils einem Source-Anschluss eines Low-Side-Schaltelements einer Treibervorrichtung des elektrischen Permanentmagnet-Synchronmotors, wobei die Eingänge über jeweils einen Widerstand zu einem Sternpunkt verschaltet sind; und
- - einen Ausgang zum Anschließen des Sternpunkts an einen Eingang eines Steuerelements für einen elektrischen bürstenlosen Gleichstrommotor.
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Auf diese Weise werden die drei Source-Anschlüsse der Low Side Schaltelemente zu einem Sternpunkt verschaltet, sodass sie nur noch ein einziges elektrisches Potential bereitstellen. Auf diese Weise wird eine Verbindungseinrichtung bereitgestellt, mit der es möglich ist, einen Wert einer elektrischen Durchschnittsspannung der genannten drei Potentiale der drei Source-Anschlüsse an einen Eingang einer Ansteuerelements für einen bürstenlosen Gleichstrommotor (BLOC-Motor) zu legen, wodurch eine Shuntstrom-Messung für eine Treibervorrichtung des Permanentmagnet-Synchronmotors ermöglicht ist.
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Vorteilhaft ist auf diese Weise eine Ansteuerung des Permanentmagnet-Synchronmotors mit einem Ansteuerelement eines BLDC-Motors möglich. Auf vorteilhafte Weise kann dadurch für den elektrischen Permanentmagnet-Synchronmotor ein elektronischer Baustein benutzt werden, der üblicherweise für BLDC-Motor-Anwendungen genutzt wird. Vorteilhaft ergibt sich dadurch eine kostengünstige Realisierung zum Betreiben eines Permanentmagnet-Synchronmotors, der höhere technische Anforderungen als ein bürstenloser elektrischer Gleichstrommotor, z.B. hinsichtlich Geräuschentwicklung erfüllt.
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Vorteilhaft können dadurch erhöhte technische Aufwendungen und Kosten für einen Ansteuerbaustein eines Permanentmagnet-Synchronmotors vermieden werden.
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Die Aufgabe wird gemäß einem zweiten Aspekt gelöst mit einer Vorrichtung zum Herstellen eine Anbindungseinrichtung für einen Permanentmagnet-Synchronmotor, aufweisend:
- - Bereitstellen einer definierten Anzahl größer zwei von Eingängen zum Anschließen von jeweils einem Source-Anschluss eines Low-Side-Schaltelements einer Treibervorrichtung des elektrischen Permanentmagnet-Synchronmotors, wobei die Eingänge über jeweils einen Widerstand zu einem Sternpunkt verschaltet sind; und
- - Bereitstellen eines Ausgangs zum Anschließen des Sternpunkts an einen Eingang eines Steuerelements für einen elektrischen bürstenlosen Gleichstrommotor.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Verbindungseinrichtung für einen elektrischen Permanentmagnet-Synchronmotor sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der Verbindungseinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstände elektrisch symmetrisch dimensioniert sind. Dadurch können Erfordernisse der Shuntstrommessung der Treibervorrichtung für den Permanentmagnet-Synchronmotor berücksichtigt werden.
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Eine weitere bevorzugte Weiterbildung der Verbindungseinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstände elektrisch unsymmetrisch dimensioniert sind. Auch dadurch können Erfordernisse der Shuntstrommessung der Treibervorrichtung für den Permanentmagnet-Synchronmotor berücksichtigt werden.
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Eine weitere bevorzugte Weiterbildung der Verbindungeinrichtung sieht vor, dass die Widerstände größenmäßig wenigstens in einer Bauform 0805 dimensioniert sind. Dies bedeutet eine größenmäßig die Dimensionierung der Widerstände mit einer Länge von 2,00 mm ± 0,15mm und einer Breite von 1,25 mm ± 0,15mm. Dies ermöglicht einen Montageprozess der Widerstände mittels Schwalllöten und ermöglicht geeignet große elektrische Stromstärken durch die Widerstände.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass an die Eingänge eine Treibervorrichtung zum Betreiben eines 2-, 3-, 4-, 5- oder 6-phasigen elektrischen Permanentmagnet-Synchronmotors anschließbar ist. Vorteilhaft kann die Verbindungseinrichtung auf diese Weise für unterschiedliche Typen von Permanentmagnet-Synchronmotoren verwendet werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Gleiche oder funktionsgleiche Elemente haben darin gleiche Bezugszeichen. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen.
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Offenbarte Vorrichtungsmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Verfahrensmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend die Verbindungseinrichtung für einen elektrischen Permanentmagnet- Synchronmotor aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und technischen Vorteilen betreffend das Verfahren zum Herstellen einer Verbindungseinrichtung für einen elektrischen Permanentmagnet-Synchronmotor ergeben und umgekehrt.
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In den Figuren zeigt:
- 1 eine prinzipielle Darstellung einer Treibervorrichtung für einen bürstenlosen elektrischen Gleichstrommotor;
- 2 eine prinzipielle Darstellung einer Treibervorrichtung für einen elektrischen Permanentmagnet-Synchronmotor;
- 3 eine Darstellung eines elektronischen Ansteuerungselements für einen bürstenlosen elektrischen Gleichstrommotor;
- 4 ein Detail der Treibervorrichtung von 2;
- 5 eine prinzipielle Darstellung eines Systems mit einer erfindungsgemäßen Verbindungseinrichtung zwischen dem Ansteuerungselement für einen bürstenlosen elektrischen Gleichstrommotor und der Treibervorrichtung für einen elektrischen Permanentmagnet-Synchronmotor;
- 6 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer vorgeschlagenen Verbindungseinrichtung; und
- 7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer vorgeschlagenen Verbindungseinrichtung.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt ein prinzipielles Schaltbild einer konventionellen Treibervorrichtung 200a zum Betreiben eines bürstenlosen elektrischen Gleichstrommotors (engl. brushless DC-Motor, BLDC-Motor, nicht dargestellt), wobei der bürstenlose elektrische Gleichstrommotor mittels pulsweitenmodulierter elektrischer Steuersignale (nicht dargestellt) angesteuert wird. Die Treibervorrichtung 200a umfasst vorzugsweise drei Halbbrücken mit Schaltelementen T1...T6 in Form von Leistungs-MOS-FETs, die die genannten Steuersignale für Phasenwicklungen U, V, W des bürstenlosen elektrischen Gleichstrommotors generieren.
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Exemplarisch ist dies in 1 für ein 3-Phasensystem mit den drei Phasenanschlüssen U, V, W und einer B6-Brückenkonfiguration mit drei Halbbrücken T1-T2, T3-T4, T5-T6 bzw. einem Shunt R1 im Massepfad der genannten Halbbrücken dargestellt.
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Um aus dem elektrischen Shuntstrom die drei Phasenströme der Phasen U, V, W zu ermitteln, müssen die sechs elektronischen Schaltelemente T1...T6 der B6-Brücke mit einem definierten Schaltmuster angesteuert werden, welches in einem elektronischen Ansteuerelement (nicht dargestellt) als Software hinterlegt ist und von diesem erzeugt wird. Derartige pulsweitenmodulierte Schaltmuster sind an sich bekannt und sind für die vorliegende Erfindung nicht wesentlich, weshalb auf ihre nähere Erläuterung nachfolgend verzichtet wird.
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Die Generierung der drei elektrischen Phasenspannungen U, V und W erfolgt typischerweise mittels der pulsweitenmoduliert angesteuerten Schaltelemente, wobei zu diesem Zweck vorzugsweise, aber nicht ausschließlich mittenzentrierte PWM-Ansteuersignale verwendet werden.
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2 zeigt eine konventionelle Treibervorrichtung 200a für einen an sich bekannten elektrischen Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM-Motor, nicht dargestellt). Der elektrische Permanentmagnet-Synchronmotor erfüllt gegenüber dem bürstenlosen Gleichstrommotor höhere Anforderungen z.B. hinsichtlich Geräuschentwicklung und wird daher für spezifische Anwendungen im Automobilbereich, zum Beispiel zur Bereitstellung von Luftstrom im Fahrgastraum bevorzugt eingesetzt.
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Für die Treibervorrichtung 200b ist dabei jeweils ein Shunt R1 , R2 , R3 pro Halbbrücke T1-T2, T3-T4 und T5-T6 vorgesehen, wodurch in diesem Fall elektrische Potentiale an drei Source-Anschlüssen SL1...SL3 an den Low-Side Schaltelementen T2, T4, T6 für insgesamt drei Shuntstrommessungen vorgesehen sind. Denkbar sind auch Shuntstrommessungen in zwei Phasen.
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Die genannten Anschlüsse müssen herkömmlicherweise mit einem eigens dafür entwickelten elektronischen Ansteuerelement (nicht dargestellt) für einen Permanentmagnet-Synchronmotor elektrisch verbunden werden. Nachteilig ist ein derartiges elektronisches Ansteuerelement aufgrund des gegenüber dem bürstenlosen Gleichstrommotor erhöhten Aufwands zur Durchführung der Shuntstrommessungen technisch aufwendig und somit kostenintensiv.
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Vorgeschlagen wird daher eine technisch einfache und damit kostengünstige Ansteuerungsmöglichkeit eines derartigen Permanentmagnet-Synchronmotors.
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3 zeigt einen Ausschnitt eines elektronischen Ansteuerelements 300 für einen elektrischen bürstenlosen Gleichstrommotor in Form eines anwendungsspezifischen integrierten elektronischen Bausteins (engl. application specific integrated circuit, ASIC). Man erkennt mehrere Eingänge GH1...GL3 und Steuerleitungen der Treibervorrichtung 200a (nicht dargestellt) eines bürstenlosen Gleichstrommotors (nicht dargestellt), die mit diesen Eingängen verschaltet sind. Die Nomenklatur der Eingänge ist dabei wie folgt:
- G
- Gate
- S
- Source
- H
- High
- L
- Low
- SL
- Source Low
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Zum Beispiel ist also der Eingang GH1 mit dem Gate des High Side Schaltelements 1 der Treibervorrichtung 200a verbunden, der Eingang SH3 mit der Source des High Side Schaltelements 3 der Treibervorrichtung 200a verbunden, usw.
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Erkennbar ist ferner ein einzelner Eingang SL, der zum Anschluss aller drei Source Anschlüsse der Low Side Schaltelemente T2, T4, T6 der Treibervorrichtung 200a von 1 vorgesehen ist.
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4 zeigt einen Ausschnitt der konventionellen Treibervorrichtung 200b von 2, wobei nur die erste Halbbrücke mit den Schaltelementen T1, T2 zur Ansteuerung der U-Phase des elektrischen Permanentmagnet-Synchronmotors dargestellt ist. Die Gate-Signale der Schaltelemente sind sehr sensitiv, deshalb sie parallel mit den Source-Signalen geführt werden, um eine Induktivität des Schaltkreises zu minimieren. Auch Gate-Treiber-Sicherheitsmerkmale (MOS-FET Spannungsüberwachung) basieren auf einem korrekten Routing der genannten Signale. Zum Beispiel gilt für die Phase U der Treibervorrichtung 200b, dass beim High Side MOS-FET T1 das Gate- und das Source Signal parallel geführt werden sollten, dasselbe gilt für das Gate- und das Source-Signal des Low Side MOS-FETs T2, wie in 4 angedeutet.
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Allerdings sind im Falle, dass Shunts elektrisch in Serie mit den Low Side MOS-FETs geschaltet sind, abhängig vom elektrischen Strom und von der elektrischen Dimensionierung der Shunts beträchtliche elektrische Spannungsabfälle zwischen den Source-Anschlüssen der Low Side MOS-FETS möglich. Bei Automobilanwendungen sind die Shunts immer nahe am Massepotential, weil Lösungen, bei denen elektrische Ströme in den Phasen gemessen werden, sehr kostspielig sind. Daher kann es aus Sicht der Treibervorrichtung ein Problem darstellen, dass die genannten Spannungsabfälle über den Shunts auftreten.
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5 zeigt ein System 400 mit einer Ausführungsform einer vorgeschlagenen Verbindungseinrichtung 100 zwischen dem elektronischen Ansteuerungselement 300 und der Treibervorrichtung 200b (nicht dargestellt). Erkennbar ist, dass die Verbindungseinrichtung 100 eine sternförmige Verschaltung von drei Widerständen 10a, 10b, 10c aufweist, wobei der Sternpunkt 101 an einen Ausgangspunkt geführt ist, der mit dem Eingang SL des elektronischen Ansteuerungselements 300 eines bürstenlosen Gleichstrommotors verbunden ist.
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Auf diese Weise kann das elektronische Ansteuerungselement 300, welches lediglich einen einzelnen Eingang SL zum Durchführen der Shuntstrommessung aufweist und für die Ansteuerung des bürstenlosen Elektromotors vorgesehen ist, auch zur Ansteuerung des elektrischen Permanentmagnet Synchronmotors verwendet werden. Dadurch ist vorteilhaft eine einfache und kostengünstige Ansteuerungsmöglichkeit für den elektrischen Permanentmagnet-Synchronmotor bereitgestellt.
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6 zeigt ein Blockschaltbild der vorgeschlagenen Verbindungseinrichtung 100. Man erkennt wenigstens zwei Widerstände 10a... 10n, die zu einem Sternpunkt 101 verschaltet sind. Die Widerstände 10a...10n sind zu Eingängen 101a... 101n geführt, die elektrisch leitend mit den Low Side-Source-Anschlüssen der Schaltelemente (nicht dargestellt) der Treibervorrichtung 200b (nicht dargestellt) verbunden sind.
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Vorzugsweise sind die Widerstände 10a... 10n symmetrisch dimensioniert, wobei allerdings auch denkbar ist, dass die Widerstände 10a... 10n nicht symmetrisch dimensioniert sind. Dies hängt insbesondere von den jeweiligen technischen Anforderungen der Treibervorrichtung 200b ab.
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Vorzugsweise sind die Widerstände 10a... 10n der Verbindungseinrichtung 100 geeignet geometrisch dimensioniert und können somit gemäß der bekannten Form 0805 dimensioniert sein (Länge 2,00 ± 0,15mm, Breite 1,25 ± 0,15mm), was sie für einen Montageprozess mittels Schwalllöten geeignet macht. Vorteilhaft sind sie dadurch auch für eine ausreichend große elektrische Stromstärke dimensioniert.
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Es versteht sich jedoch von selbst, dass keinerlei Einschränkungen betreffend Anzahl, Dimensionierung und/oder Spezifikation und/oder Typ der Widerstände 10a... 10n vorgesehen ist und dass jegliche geeignete Widerstände mit einer Anzahl größer zwei für die Realisierung der erfindungsgemäßen Verbindungseinrichtung 100 geeignet sind.
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Vorteilhaft lässt sich die vorgeschlagene Verbindungseinrichtung 100 sowohl für permanent- als auch bei fremderregten Synchronmotoren verwenden.
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Vorgehend wurde die vorgeschlagene Verbindungseinrichtung 100 beispielhaft im Zusammenhang mit einem elektrischen dreiphasigen Permanentmagnet-Synchronmotor und dessen Treibervorrichtung 200b beschrieben. Vorteilhaft kann die vorgeschlagene Verbindungseinrichtung 100 vorteilhaft auch für ein-, zwei-, vier-, fünf- und mehrphasige Permanentmagnet-Synchronmotoren verwendet werden und muss zu diesem Zweck dann eine geeignete Anzahl von zum Sternpunkt 101 verschalteten Widerständen 10...10n aufweisen.
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7 zeigt einen prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen einer Verbindungseinrichtung 100 für einen elektrischen Permanentmagnet-Synchronmotor.
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In einem Schritt 500 wird ein Bereitstellen einer definierten Anzahl größer zwei von Eingängen 101a... 101 n zum Anschließen von jeweils einem Source-Anschluss eines Low-Side-Schaltelements T1...Tn einer Treibervorrichtung 200b des elektrischen Permanentmagnet-Synchronmotors durchgeführt, wobei die Eingänge 101a... 101n über jeweils einen Widerstand 10a... 10n zu einem Sternpunkt 110 verschaltet werden.
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In einem Schritt 510 erfolgt ein Bereitstellen eines Ausgangs 102 zum Anschließen des Sternpunkts 110 an einen Eingang SL eines Steuerelements 300 für einen elektrischen bürstenlosen Gleichstrommotor.
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Vorteilhaft können die Schritte 500, 510 auch vertauscht werden.
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Der Fachmann kann vorgehend auch nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsformen der Erfindung realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015202693 A1 [0005]
