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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur prädiktiven Bürstenregelung bei fremderregten Elektromotoren.
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Bei fremderregten Elektromotoren wird der Erregerstrom über Bürsten zu den Kommutatoren oder Schleifringen übertragen, welche sich auf dem Rotor (Läufer) befinden. Die Bürste wird über eine Anpressfeder an den Kommutator gedrückt. Dadurch ist eine leitende Verbindung zwischen den beiden Teilkomponenten hergestellt, so dass ein Stromfluss in den Rotor stattfinden kann, der dadurch zur Drehbewegung angeregt wird. Die Funktion des Gleitkontakts durch die Bürsten ist bei Gleichstrom- und Wechselstrommotoren identisch, außer dass bei Wechselstrommotoren kein Kommutator benötigt wird, da die Erregerleistung über einen Schleifring zum Läufer übertragen wird.
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Die Anpressfeder drückt kontinuierlich die Bürste auf Kommutator oder Schleifring. Dadurch treten auch dann Reibungsverluste auf, wenn die elektrische Maschine weder im Motor- noch im Generatorbetrieb arbeitet. Bei elektrischen Traktionsantrieben im Fahrzeug liegen solche Betriebspunkte vor, wenn das Fahrzeug zum Beispiel segelt, d.h. sich im Freilauf befindet. Durch den Gleitkontakt (Übergang von Bürste zu Kommutator/Schleifring) werden permanente Verluste verursacht. Darüber hinaus wird in vielen Betriebspunkten gar nicht die komplette Auflagefläche von Bürste zu Kommutator oder Schleifring benötigt, da nicht immer die maximale Leistung übertragen werden muss (z.B. bei kontinuierlicher Fahrt im Teillastbereich). Zudem erzeugt der Gleitkontakt auch immer ein Geräusch durch die Schleifbewegung. Abhängig von der Konstruktion, den verwendeten Komponenten und der abgerufenen Leistung können diese Geräuschemissionen als störend empfunden werden (innerhalb und außerhalb des Fahrzeugs). Ein kontinuierliches Anliegen der Bürsten führt auch zu stetigem Abrieb und damit zu interner Verunreinigung des Motors, was wiederum im Laufe der Zeit einen negativen Einfluss auf die Funktionalität und Effektivität der elektrischen Maschine haben kann.
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Die
US 2008 / 131 099 A1 offenbart ein Verfahren, ein computerlesbares Medium und ein System zur automatischen Bestimmung eines ordnungsgemäßen Betriebsstroms für einen Elektromotor. In dem Verfahren wird ein Testsignal an einen Eingang des Elektromotors gesendet und an einem Ausgang des Elektromotors wird eine Reaktion auf das Testsignal gemessen. Basierend auf der gemessenen Reaktion wird eine Position einer Bürste festgelegt, die Strom durch einen Kommutator des Elektromotors leiten kann. Der Elektromotor wird mit einem ersten Eingangsstrom versorgt, wenn sich die Bürste in einer ersten Position befindet, und einem zweiten Eingangsstrom, wenn sich die Bürste in einer zweiten Position befindet.
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GB 2 059 686 A betrifft Bürsten für elektrische Maschinen, wobei die Bürsten vom geteilten Typ sind, d.h. eine Anzahl von nicht gebundenen leitenden Schichten umfassen. Leitende Schichten einer geteilten Bürste sind durch eine Isolierschicht voneinander beabstandet.
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Aus der
WO 2010 / 093 617 A2 ist eine Bürstenhalteranordnung für eine dynamoelektrische Maschine bekannt. Sie umfasst eine Bürstenhalterung, die einrastbar an einer Abschirmvorrichtung befestigt ist. Ein Bürstenelement ist beweglich in der Bürstenvorrichtung montiert und umfasst einen vertieften Bereich und ein Nebenschlusselement. Eine Feder mit konstanter Kraft ist betriebsmäßig zwischen dem zweiten Endabschnitt der Bürste und der Bürstenbefestigung verbunden.
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Aus der gattungsmäßigen
DE 10 2012 214 122 A1 geht ein elektrischer Startermotor für eine Startvorrichtung hervor, der eine Bürsteneinheit mit Teilbürsten umfasst, die jeweils über eine von einem Verstell-Motor angetriebene Verstell-Mechanik zu einem Kommutator hin bewegbar sind, um einen elektrischen Kontakt zwischen Teilbürste und Kommutator reversibel herzustellen, oder von dem Kommutator weg bewegbar sind, um einen elektrischen Kontakt zwischen Teilbürste und Kommutator zu unterbrechen.
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Die
DE 196 19 728 B4 offenbart einen Steckbürstenhalter für elektrische Maschinen mit Schleifringen mit einem Gehäuse, in dem eine Bürste gegen eine Federkraft verschiebbar angeordnet ist und in Kontakt mit einem Schleifring bringbar ist, und mit einer pneumatisch betätigbaren Hubeinrichtung, durch die die Bürste vom Schleifring abhebbar ist und die über eine Austrittsöffnung mit einem Druckgasanschluss verbunden ist. Die Austrittsöffnung ist abhängig von einer verschleißbedingten Lageveränderung der Bürste durch ein Sperrelement, das zum Folgen der verschleißbedingten Lageveränderung der Bürste mit der Bürste verbunden ist, verschließbar oder freigebbar.
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Vor diesem Hintergrund hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, Vorrichtungen und Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit denen die Effizienz eines Elektromotors eines Fahrzeugantriebs verbessert und der Verschleiß des Elektromotors verringert werden können.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und der Abbildung.
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Gegenstand der Erfindung ist ein fremderregter Elektromotor, der eine Bürsteneinheit mit Teilbürsten umfasst, die jeweils über eine von einem Verstell-Motor angetriebene Verstell-Mechanik zu einem Kommutator hin bewegbar sind, um einen elektrischen Kontakt zwischen Teilbürste und Kommutator reversibel herzustellen, oder von dem Kommutator weg bewegbar sind, um einen elektrischen Kontakt zwischen Teilbürste und Kommutator reversibel zu unterbrechen. Erfindungsgemäß umfasst die Bürsteneinheit die Teilbürsten sowie die zugehörigen Verstell-Mechaniken und Verstell-Motoren. Erfindungsgemäß ist die Bürsteneinheit mit einer Steuereinheit verbunden, die dafür eingerichtet ist, die Verstell-Motoren so zu steuern, dass lediglich eine zum Erreichen eines prognostizierten unmittelbar bevorstehenden Betriebspunkts des Elektromotors minimal erforderliche Kontaktfläche zwischen der Gesamtheit der Teilbürsten und dem Kommutator bereitgestellt wird. In einer Ausführungsform ist die Steuereinheit in den Elektromotor integriert. In einer anderen Ausführungsform befindet sich die Steuereinheit außerhalb des Elektromotors.
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Der fremderregte Elektromotor ist so aufgebaut, dass anstelle einer großen Bürste je Kontakt mehrere kleinere Teilbürsten mit einer verringerten Breite vorhanden sind. Jede dieser Teilbürsten kann dabei einzeln über einen Verstell-Motor aktiv verstellt und damit vom Kommutator/Schleifer entfernt oder daran angepresst werden. Sind die Bürsten vom Kommutator/Schleifer entfernt, so dass ein Luftspalt zwischen den Teilkomponenten entsteht, kann kein Stromfluss mehr stattfinden. Anhand prädiktiver Daten zu einem unmittelbar bevorstehenden Betriebspunkts werden die Teilbürsten entsprechend im Vorfeld variabel angelegt oder entfernt, so dass lediglich die minimal erforderliche Kontaktfläche zwischen der Gesamtheit der Teilbürsten und dem Kommutator/Schleifer bereitgestellt wird. Ziel ist, dass zum Zeitpunkt der Leistungsabgabe- oder Aufnahme die ideale Bürstenkonfiguration auf dem Kommutator oder Schleifer anliegt.
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Im Freilauf, also dann wenn kein Strom fließen muss, können auch alle Bürsten angehoben werden, um so ohne Reibungsverluste den maximalen Wirkungsgrad in diesem Betriebspunkt zu erreichen. Sobald wieder mehr Leistung am Elektromotor übertragen werden muss, steuert die Steuereinheit die einzelnen Verstell-Motoren so, dass ein Vorschub generiert wird, der die Teilbürste(n) in Kontakt mit dem Kommutator oder Schleifring bringt. Die Berechnung der benötigten Bürstenaufstandsfläche erfolgt über die komplette Fahrt hinweg.
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Die Bürsteneinheit umfasst zwei Sätze von Teilbürsten, jeweils einen Satz pro Kontakt. Die Bürsteneinheit umfasst mehrere Teilbürsten pro Kontakt, beispielsweise zwei, drei oder vier Teilbürsten. In einer Ausführungsform umfasst die Bürsteneinheit Teilbürsten unterschiedlicher Breite. In einer Ausführungsform haben alle Teilbürsten eines Satzes unterschiedliche Breiten. In einer speziellen Ausführungsform sind die Breiten der Teilbürsten gestaffelt, beispielsweise im Verhältnis 1:2:3:...n, oder 1:2:4:...2n, oder 1:3:9:...3n, oder 1:4:8:...2n. Durch die unterschiedlichen Breiten der Teilbürsten lässt sich die insgesamt am Kommutator/Schleifer anliegende Bürstenfläche flexibler einstellen.
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In einer Ausführungsform umfasst die Bürsteneinheit Mittel zur Detektion einer Länge der Teilbürsten. In einer weiteren Ausführungsform sind die Mittel zur Detektion einer Länge der Teilbürsten dafür eingerichtet, die Länge der Teilbürsten an die Steuereinheit zu übermitteln. Die Steuereinheit kann diese Daten zur Steuerung der Teilbürsten verwenden, damit auch bei durch Verschleiß verkürzten Teilbürsten sichergestellt ist, dass ein Kontakt zum Kommutator/Schleifring zuverlässig hergestellt wird. Auch kann anhand der Länge der Teilbürsten erkannt werden, wenn diese ausgetauscht werden müssen.
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Als Verstell-Motoren kommen in der Regel Elektromotoren zum Einsatz. In einer Ausführungsform sind die Verstell-Motoren Linearmotoren.
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In einer Ausführungsform ist die Steuereinheit mit einer zur Prädiktion eines unmittelbar bevorstehenden Betriebspunkts des fremderregten Elektromotors eingerichteten Recheneinheit verbunden. In einer weiteren Ausführungsform ist die Recheneinheit dafür eingerichtet, Echtzeitinformation hinsichtlich Fahrzeugumfeld, Streckenverlauf, Verkehrsdaten zu empfangen und zu verarbeiten.
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Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen fremderregten Elektromotors eines Fahrzeugantriebs, bei dem die Steuereinheit die Verstell-Motoren der Bürsteneinheit so steuert, dass lediglich eine zum Erreichen eines prognostizierten unmittelbar bevorstehenden Betriebspunkts des Elektromotors minimal erforderliche Kontaktfläche zwischen der Gesamtheit der Teilbürsten und dem Kommutator bereitgestellt wird.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens werden die Längen der einzelnen Teilbürsten der Bürsteneinheit ermittelt und bei der Steuerung der zugehörigen Verstell-Motoren berücksichtigt.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der unmittelbar bevorstehende Betriebspunkt des Elektromotors von einer Recheneinheit auf der Grundlage von Echtzeitinformation hinsichtlich Fahrzeugumfeld, Streckenverlauf, Verkehrsdaten und Daten zu einem aktuellen Fahrverhalten des Fahrers des Fahrzeugs prognostiziert.
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Eine Recheneinheit berechnet anhand des aktuellen Fahrverhaltens, des Streckenverlaufs, der Verkehrsdaten und Daten aus der Kommunikation mit anderen Fahrzeugen und der Verkehrs-Infrastruktur, welche Leistung voraussichtlich als nächstes vom fremderregten Elektromotor abgerufen wird.
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In einer Ausführungsform stehen dem Fahrzeug verschiedene Echtzeitinformation hinsichtlich Fahrzeugumfeld, Streckenverlauf, Verkehrsdaten online und durch den Austausch mit anderen Verkehrsteilnehmern (Car2Car) und anderen Objekten (Car2X) erhaltene Daten zur Verfügung. Diese Daten werden mit Hilfe einer zentralen Recheneinheit (ECU: electronic control unit) im Fahrzeug oder durch eine im Internet befindlichen Datenverarbeitungseinheit (Server) ausgewertet. Anhand dieser und weiterer Informationen (z.B. aktuelles Fahrverhalten des Fahrers), kann prognostiziert werden, welche Leistung in den folgenden Fahrsituationen benötigt wird. Die Recheneinheit ermittelt, wieviel Bürstenaufstandsfläche im jeweiligen unmittelbar folgenden Betriebspunkt benötigt wird und die Steuereinheit steuert davon abhängig die einzelnen Teilbürsten der Bürsteneinheit.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens können unter Verwendung eines selbstlernenden Algorithmus in der ECU oder dem Server immer genauere Vorhersagen dahingehend vorgenommen werden, wie das Fahrverhalten des Fahrers sein wird und wie sich dies in Kombination mit den prädiktiven Daten auf die Leistungsabgabe- und Aufnahme des Fahrzeugs bzw. der Elektromotoren auswirkt. So kann eine immer präzisere und passgenauere Auswahl der Bürstenaufstandsfläche erfolgen.
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Zu den Vorteilen der erfindungsgemäßen Lösung zählt, dass dadurch, dass alle Teilbürsten prädiktiv angesteuert und vertikal verfahren werden können, individuell und abhängig von der bevorstehenden Leistungsabgabe- und Aufnahme die energetisch sinnvollste Beschaltung der Bürstenaufstandsfläche gewählt werden kann. Dies trägt aktiv zur Verbesserung des Wirkungsgrades des Antriebs bei. Darüber hinaus kann die Recheneinheit im Fahrzeug exakt bestimmen, ob und wann ein Tausch einer (Teil)-Bürste erfolgen muss. Außerdem kann das Verfahren dazu beitragen, dass Geräuschemissionen stark verringert oder komplett vermieden werden, welche vor allem im Fahrzeug häufig störend wirken. Ein weiterer positiver Effekt ist, dass das Material der Bürsten geschont wird, da der Abrieb reduziert wird. Es können die Haltbarkeit verlängert und kostspielige Reparaturen vermieden werden. Gleichzeitig werden eine unnötige Verunreinigung des Antriebs und eine damit verbunden Verschlechterung des Wirkungsgrades vermieden. Die Reduzierung der Hitzeentwicklung an der Gleitfläche und damit die Eindämmung der thermischen Erwärmung des gesamten Motors bewirkt, dass dieser nicht so stark gekühlt werden muss und damit das Fahrzeug längere Zeit bewegt werden kann, ohne dass eine Reduzierung der Leistung (aufgrund zu hoher Temperatur) erfolgen muss. Durch das prädiktive Bürstenanlegemanagement wird zusätzlich eine etwaige Beschleunigungsverzögerung vermieden, die resultiert, wenn die Bürsten erst zum direkten Zeitpunkt des Lastabrufes angelegt werden, z.B. wenn der Fahrer das Fahrpedal betätigt. Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung weiter beschrieben. Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bürsteneinheit.
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1 zeigt einen fremderregten Elektromotor 10 mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bürsteneinheit 20. Der fremderregte Elektromotor 10 weist einen Rotor 11 und einen Stator 12 auf, in dem sich der Rotor 11 dreht, wenn durch ihn ein Strom I fließt. Der Rotor 11 wird über einen Kommutator 13 mit Strom versorgt. Der Strom I wird dem Kommutator 13 über die Bürsteneinheit 20 zugeführt.
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Die Bürsteneinheit 20 umfasst mehrere (Teil)-Bürsten 21 (1..n), die jeweils individuell über eine Verstell-Mechanik 22 und einen Verstell-Motor 23 zum Kommutator 13 hin bewegt und mit ihm in elektrisch leitenden Kontakt gebracht oder von dem Kommutator 13 weg bewegt werden können, wodurch zwischen (Teil)-Bürste 21 und Kommutator der elektrische Kontakt unterbrochen und ein Luftspalt ausgebildet wird. Die (Teil)-Bürsten 21 weisen eine vertikale Variabilität 24 auf, die in der Zeichnung durch den Pfeil angedeutet ist, d.h. sie können jeweils bis zu einem maximalen Abstand von der Oberfläche des Kommutators 13 weg bewegt werden und andererseits in Richtung der Oberfläche des Kommutators 13 nachgeführt werden, um einen Verschleiß der (Teil)-Bürste 21 durch Abrieb auszugleichen. Die einzelnen (Teil)-Bürsten 21 sind voneinander elektrisch isoliert. Bei der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform weisen die (Teil)-Bürsten 21 unterschiedliche Bürstenbreiten (x, y) 25 auf. Die Bürsteneinheit 20 weist Mittel 26 zur Detektion der Länge der (Teil)-Bürsten 21 auf. Die Messung Länge der (Teil)-Bürsten 21 ermöglicht einerseits eine exakte Einstellung der Position der (Teil)- Bürsten 21 auch bei Längenveränderung der (Teil)-Bürsten 21 durch Verschleiß und andererseits auch die Ermittlung des Zeitpunkts, an dem ein Austausch einer (Teil)-Bürste 21 erforderlich wird.
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Eine in der Figur nicht dargestellte Steuereinheit steuert die Verstell-Motoren 23 der einzelnen (Teil)-Bürsten 21, um den für den jeweils unmittelbar folgenden Betriebspunkt erforderlichen Stromfluss durch den Kommutator 13 einzustellen. Die Steuereinheit (bzw. eine mit ihr verbundene zentrale Recheneinheit) ermittelt, wieviel Bürstenaufstandsfläche im jeweiligen Betriebspunkt minimal benötigt wird und steuert entsprechend die einzelnen (Teil)-Bürsten 21.
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Im Freilauf, wenn kein Strom fließen muss, können auch alle (Teil)-Bürsten 21 angehoben werden um so ohne Reibungsverluste den maximalen Wirkungsgrad in diesem Betriebspunkt zu erreichen. Sobald wieder mehr Leistung angefordert wird, werden die einzelnen Verstell-Motoren 23 so angesteuert, dass ein entsprechender Vorschub geniert wird, wodurch die jeweiligen (Teil)-Bürsten 21 den Kommutator 13 kontaktieren. Die Berechnung der benötigten Bürstenaufstandsfläche erfolgt über die komplette Fahrt hinweg.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- fremderregter Elektromotor
- 11
- Rotor
- 12
- Stator
- 13
- Kommutator
- 20
- Bürsteneinheit
- 21
- Bürsten
- 22
- Verstell-Mechanik
- 23
- Verstell-Motoren
- 24
- vertikale Variabilität
- 25
- unterschiedliche Bürstenbreiten
- 26
- Detektion der Bürstenlänge
