DE10342960A1

DE10342960A1 - Gleichstrommotorbürstenfilterschaltung

Info

Publication number: DE10342960A1
Application number: DE10342960A
Authority: DE
Inventors: Gary E. Novi Zack; Charlie Northville Richlie
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Automotive Components Holdings LLC
Priority date: 2002-10-03
Filing date: 2003-09-10
Publication date: 2004-04-22
Also published as: GB0314534D0; US20040066157A1; GB2393862A; GB2393862B; US6930457B2

Abstract

Die Erfindung stellt eine Motorsteuerschaltung bereit, die einen Motor mit einer Motorwindung und einer Bürste, eine Batterie, ein Relais und eine Erdungsrückleitung enthält. Das Relais stellt selektiv eine Verbindung zwischen der Batterie und dem Motor her. An die Bürste ist eine Erdungsrückleitung angeschlossen. Die Erdungsrückleitung bildet einen Strompfad von der Bürste über das Relais zu einer elektrischen Erdung.

Description

Querverweis auf verwandte Patentanmeldungen
Die Erfindung beansprucht Priorität hinsichtlich der vorläufigen US-Patentanmeldung 60/415.890, eingereicht am 3. Oktober 2002 unter dem Titel „Gleichstrommotorbürstenfilterschaltung".
Technisches Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf Systeme und Verfahren zur Entstörung von elektrischen, durch Gleichstrom-Permanentmagnetmotoren erzeugten Störgeräuschen.

Hintergrund der Erfindung

In Konstruktionen mit Gleichstrom-Permanentmagnetmotoren werden häufig Filter zur Eliminierung von Störgeräuschen verwendet, die auf die Lichtbogenbildung infolge der Umpolung der Bürsten im Motor zurückzuführen sind. Im Allgemeinen wird zur Bekämpfung des Rauschproblems ein Tiefpassfilter verwendet. Bei dieser Filterkonfiguration sind zwischen der dem Motor zugeführten geschalteten Leistung und der Bürste eine Induktivität in Reihe und zwischen der Schaltleistungszuführung und der Erdung ein Kondensator geschaltet. Diese Filtertopologie ist bei der Filterung des Bürstenrauschens wirkungsvoll, wenn der Motor läuft. Aufgrund des kapazitiven Widerstands zwischen der Schaltleistungszuführung und der Erdung und des damit verbundenen Einschaltstroms kann diese Filterkonfiguration jedoch eine Überlastung der zur Steuerung des Motors verwendeten Relais hervorrufen. Darüber hinaus kann jedes Schalten des Motors zu einem „Popp" im AM-Radio führen. In Fällen, in denen die Energiezufuhr des Motors häufig geschaltet wird, wie z. B. beim Betrieb von Intervallscheibenwischern, kann ein wiederholtes „Popp"-Geräusch im AM-Radio entstehen. Die Stärke des „Popp"-Geräuschs hängt von der Lage der Fahrzeugantenne in Bezug auf den Motor und den Motorkabelbaum, vom Radiogerät und von der Stärke des empfangenen Senders ab. Intervallwischer können bis zu einmal alle zwei Sekunden schalten, so dass das „Popp"-Geräusch inakzeptabel sein kann.

Da das Problem durch Stromstöße im Wischerkabelbaum zwecks Unterstützung des Aufladens der Kondensatoren im Filternetz sowie durch die Lichtbogenbildung aufgrund der induktiven Natur der Motorlast verursacht wird, ist eine typische Gegenmaßnahme die Reduzierung der Größe der Filterkondensatoren oder der Einsatz eines Vorwiderstands. Die Anwendung einer jeden dieser Maßnahmen führt zum Anwachsen des Bürstenrauschens und der elektromagnetischen Interferenz (EMI). Typischerweise wird ein Kompromiss von akzeptablen Bürstenrauschpegeln und dem „Popp" im AM-Radio geschlossen. Wenn der Rauschpegel inakzeptabel ist, werden aufwendigere Halbleiterschaltungen verwendet, die die Steuerung von Stromstößen ermöglichen.

Deshalb besteht Bedarf für ein neues, verbessertes System und Verfahren zur Unterdrückung des Bürstenrauschens. Das neue System und Verfahren sollte zwar die Kondensatorstromstöße eliminieren, jedoch die Wirksamkeit des Filters zum Unterdrücken des Bürstenrauschens und der EMI erhalten.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung löst die im Stand der Technik nicht angesprochenen Probleme durch das Umsetzen aller Filterkondensatoren im LC-Filter, so dass zwischen der Schaltleistungszuführung und der Erdung praktisch kein kapazitiver Widerstand, jedoch weiterhin ein Wechselstrompfad zur Erdung des Bürstenrauschens existiert, wenn das Relais zwecks Laufenlassen des Motors geschlossen wird. Das Endergebnis ist eine starke Verringerung oder Eliminierung des „Popp"-Geräuschs im AM-Radio in Verbindung mit verringertem Bürstenrauschen. Eine durch den Kondensatorlade-/-entladestrom verursachte Verschlechterung der Schaltrelaiskontakte wird ebenfalls eliminiert. Die neue erfindungsgemäße Ausführung ist am wirkungsvollsten, wenn sich das Relais zur Steuerung des Motors neben dem Motor befindet wie bei integrierten Wischersteuermodulen, was es ermöglicht, den EMI-Abstrahlungskreis klein zu halten.

Die Erfindung stellt eine Motorsteuerschaltung bereit, die einen Motor mit einer Motorwicklung und einer Bürste, eine Batterie, ein Relais und eine Erdungsrückleitung enthält. Die Batterie dient zur Spannungsversorgung des Motors. Das Relais stellt selektiv eine Verbindung zwischen der Batterie und dem Motor her. An die Bürste ist eine Erdungsrückleitung angeschlossen. Die Erdungsrückleitung bildet einen Strompfad von der Bürste über das Relais zu einer elektrischen Erdung.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung enthält die Erdungsrückleitung außerdem einen Kondensator, der mit einem ersten Ende am Relais und mit einem zweiten Ende an der elektrischen Erdung angeschlossen ist.

In einer wiederum anderen Ausgestaltung der Erfindung, die eine an der Bürste angeschlossene erste Filterschaltung umfasst, enthält die erste Filterschaltung eine mit dem Kondensator elektrisch in Reihe geschaltete Induktionsspule.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst die erste Filterschaltung eine mit einem Kondensator elektrisch in Reihe geschaltete Induktionsspule. Der Kondensator ist mit der Erdungsrückleitung elektrisch parallel geschaltet.

In einer wiederum weiteren Ausgestaltung der Erfindung besitzt der Motor eine Vielzahl von Bürsten, und die erste Filterschaltung steht mit mindestens zwei der Vielzahl der Bürsten in Verbindung.

In einer wiederum weiteren Ausgestaltung der Erfindung, bei der die erste Filterschaltung an eine erste und eine zweite Bürste der Vielzahl der Bürsten angeschlossen ist, enthält die erste Filterschaltung eine erste und eine zweite Induktionsspule, wobei ein erstes Ende der Induktionsspule mit der ersten Bürste verbunden ist und ein erstes Ende der zweiten Induktionsspule mit der zweiten Bürste verbunden ist, wobei ein Kondensator zwischen den zweiten Enden der ersten und zweiten Induktionsspule geschaltet ist.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die erste Filterschaltung mit der Erdungsrückleitung elektrisch in Reihe geschaltet.

In einer noch anderen Ausgestaltung der Erfindung enthält der Motor eine gemeinsame Bürste. Die Motorsteuerschaltung enthält eine mit der gemeinsamen Bürste verbundene zweite Filterschaltung, wobei die zweite Filterschaltung einen gemeinsamen Bürstenerdungspfad von der gemeinsamen Bürste zur elektrischen Erdung bildet.

In einer wiederum anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst die zweite Filterschaltung eine mit dem Kondensator in Reihe geschaltete Induktionsspule.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein Verfahren zur Filterung des Bürstenrauschens eines Motors bereitgestellt. Der Motor enthält eine Wicklung und eine Bürste. Die Verfahrensschritte umfassen das selektive Verbinden der Batterie mit dem Motor, die Spannungsversorgung des Motors, das Filtern des Bürstenrauschens, das Bereitstellen eines Erdungspfads durch das Relais und das Bereitstellen eines Reservoirs zur Lieferung eines Stoßstroms, wenn der Motor unter Spannung gesetzt wird.

In einer wiederum weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Filterung des Bürstenrauschens das Bereitstellen einer mit dem Erdungspfad elektrisch in Reihe geschalteten ersten Filterschaltung.

In einer wiederum weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Bereitstellen des Erdungspfads das Anordnen eines Kondensators zwischen dem Relais und der elektrischen Erdung.

In wiederum einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Bereitstellen eines Reservoirs zur Lieferung eines Stoßstroms das Anordnen eines Kondensators zwischen dem Relais und der elektrischen Erdung.

In einer noch anderen Ausgestaltung der Erfindung, wobei der Motor eine gemeinsame Bürste besitzt, umfasst das Verfahren außerdem den Schritt der Filterung des Bürstenrauschens vom Motor unter Verwendung einer zweiten Filterschaltung, wobei die zweite Filterschaltung zwischen die gemeinsame Bürste und eine elektrische Erdung geschaltet ist.

Diese und andere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung werden durch das Lesen der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen offensichtlich.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Schaltplan eines dem Stand der Technik entsprechenden LC-Tiefpassfilters zur Unterdrückung des Bürstenrauschens.
2 ist ein Schaltplan, der einen Bürstenrauschrückleitungspfad in einer dem Stand der Technik entsprechenden LC-Filterschaltung zur Unterdrückung des Bürstenrauschens darstellt.
3 ist ein Schaltplan, der einen Pfad eines Stoßstroms zum Aufladen eines Kondensators in einer dem Stand der Technik entsprechenden LC-Filterschaltung zur Unterdrückung des Bürstenrauschens darstellt.
4 ist ein Schaltplan einer LC-Filterbauart zur Unterdrückung des Bürstenrauschens entsprechend der Erfindung.
5 ist ein Schaltplan, der einen Bürstenrauschrückleitungspfad für die LC-Filterschaltung zur Unterdrückung des Bürstenrauschens entsprechend der Erfindung darstellt.
6 ist ein Schaltplan, der eine symmetrische Filterschaltungsbauart zur Unterdrückung des Bürstenrauschens entsprechend der Erfindung darstellt.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Bezug nehmend auf die 1 verwenden dem Stand der Technik entsprechende Schaltungsausführungen ein LC-Tiefpassfilter 10, 10', 10'' zur Gehäuseerdung 12 an jedem der Bürstenanschlüsse 13, 14, 16, um das Rauschen zu eliminieren, das durch die Lichtbogenbildung aufgrund der Bürstenkommutierung verursacht wird. Komponenten wie z. B. eine Induktionsspule 20 und ein Kondensator 22 bilden ein Tiefpassfilter zum Reduzieren/Eliminieren von durch eine Niederdrehzahlbürste 18 erzeugtem Rauschen. Die Induktionsspule 24 und der Kondensator 26 bilden ein Filter zum Reduzieren/Eliminieren von durch eine Hochdrehzahlbürste 28 erzeugtem Rauschen, während die Induktionsspule 30 und der Kondensator 32 ein Filter zum Reduzieren/Eliminieren von durch eine gemeinsame Bürste 34 erzeugtem Rauschen bilden. Der Kondensator 38 stellt die parasitäre Kapazität dar, die zwischen dem Motorgehäuse 40 und dem Läufer 42 existiert. Die Wechselspannungsquellen neben jeder Bürste 18, 28, 34 sollen das durch die Bürstenlichtbogenbildung erzeugte Rauschen darstellen.
Die Filter 10, 10', 10'' arbeiten durch Nebenschließen des durch die Bürsten 18, 28 und 34 erzeugten Rauschens (gezeigt durch die Pfade P1, P2) zurück zum Motor 39, wie in 2 (Stand der Technik) zu gezeigt wird. Die Filter 10, 10', 10'' sind am wirkungsvollsten, wenn sie dicht an der Quelle des Rauschens, in diesem Fall die Bürsten 18, 28 und 34, angeordnet sind. Dadurch wird der für die Abstrahlung elektromagnetischer Interferenzen vorhandene Bereich klein gehalten. Aus diesem Grund sind die Filter 10, 10', 10'' typischerweise auf der im Inneren des Motors befindlichen Bürstenkarte enthalten. Wenn dasselbe Filternetz (Filter 10, 10', 10'') auf der Batterieseite 49 des Kabelbaums 50 angeordnet wäre, wäre es für die Rauschunterdrückung wirkungslos. Außerdem muss unbedingt angemerkt werden, dass die ungenutzte Bürste ständig gefiltert werden muss, da ein Generator-/Transformatoreffekt hohe am ungenutzten Anschluss anliegende Spannungen verursacht, wenn der Motor läuft.
Leider haben die typischen dem Stand der Technik entsprechenden Lösungswege (dargestellt in den 1 bis 3) (d. h. die LC-Filterschaltungstopologie 10, 10', 10'') einige Nachteile, wenn der Motor in einer Anwendung eingesetzt wird, die häufig an- und ausgeschaltet wird. 3 stellt dieses Problem dar, wobei immer dann, wenn das Lauf-/Parkrelais 51 zur Batterie geschaltet wird, die Kondensatoren 22 und 32 aufgeladen werden müssen, was zu einem Stromstoß durch den Kabelbaum 50 und die Kontakte 52, 54 des Relais 51 führt. Wenn an den Kontakten 52, 54 des Relais 51 aufgrund des Kontaktöffnens oder des Relaisprellens ein Lichtbogen auftritt, muss der diesen Lichtbogen unterstützende Strom ebenfalls durch den Kabelbaum 50 fließen. Es gibt zwei Gründe, warum dieser Strom nicht erwünscht ist. Erstens ist der Kabelbaum 50, durch den der Strom fließt, oftmals sehr lang, was die Wahrscheinlichkeit der EMI-Abstrahlung und des Bewirkens eines „Popp" im AM-Radio stark erhöht. Zweitens müssen die Kontakte des Relais 51 einen großen Kondensator stromstoß verarbeiten, was zu einer frühzeitigen Verschlechterung der Kontakte des Relais 51 führt. Eine ähnliche Situation ergibt sich, wenn das Relais in die Parkposition schaltet, die Kondensatoren 22, 32 entlädt und den Motor dynamisch bremst. Die typische Lösung wäre die Reduzierung der Größe der Kondensatoren 22, 32 und 26 oder das Schalten eines zusätzlichen Widerstands in Reihe zu diesen Kondensatoren. Leider reduzieren beide Lösungen die Wirksamkeit der LC-Filter 10, 10', 10'' beim Eliminieren des Bürstenrauschens stark. Typischerweise wird ein Kompromiss geschlossen, bei dem der „Popp" und das Bürstenrauschen auf Pegel reduziert werden, die nur in bestimmten Fahrzeugen bei schwachen AM-Sendern untragbar sind. Für diese Fahrzeuge können spezielle Motorsteuerschaltungen und andere Gegenmaßnahmen zur EMI angewendet werden, um das Rauschen auf akzeptable Pegel abzusenken.
In 4 ist eine neben einer Wischermotor- und Bürstenkartenschaltung 66 angeordnete Steuerschaltung 60 dargestellt. Vorzugsweise werden Bürstenfilter 62, 63 bereitgestellt, um das durch die Bürsten 18, 28 und 34 erzeugte Rauschen 43, 43', 43'' zu reduzieren/eliminieren. Die Induktionsspule oder Motorwicklung 68 ist mit den LC-Filterkondensatoren 70, 72 in Reihe geschaltet, die Stromstöße im Zusammenhang mit der Kondensatoraufladung wirksam ausschließen.
5 zeigt den Bürstenrauschrückleitungspfad (Pn) in den Schaltungen 60 und 66. Es ist zu beachten, dass der Kondensator 74 jetzt den Erdungsrückleitungspfad für das Bürstenrauschen bereitstellt. In den meisten Fällen sollte aufgrund von Eingrenzungen der Relaisanordnung der Kondensator 74 auf der Leiterplatte der Steuerschaltung 60 anstatt auf der Leiterplatte der Bürstenkarte 60 untergebracht werden. Obwohl die Schleife Pn, auf der das Rauschen zurück zum Motor 39 zu fließen gezwungen wird, länger als in konventionellen Bürstenfiltertopologien ist, sind die Bürstenfilter 62, 63 aufgrund der unmittelbaren Nähe der Steuerschaltung 60 zum Motor 39 immer noch wirksam. Aus diesem Grund ist die Filtertopologie der Erfindung am wirkungsvollsten, wenn die Steuerschaltung 60 in den Motor 39 selbst oder am Äußeren des Motors 39 integriert wird. Wie zuvor erwähnt, eliminiert die Filtertopologie außerdem das Fließen großer Kondensatorladungsströme durch die Relaiskontakte.
In einer anderen in 6 gezeigten Ausgestaltung der Erfindung kann durch den Einsatz einer symmetrischen Filtertopologie 94 eine höhere Leistungsfähigkeit erreicht werden. Die symmetrische Filtertopologie stellt eine Induktionsspule 82 und einen Kondensator 84 bereit, so dass ein Tiefpassfilter 76 zwecks Reduzierens/Eliminierens des durch die Niederdrehzahlbürste 18 erzeugten Rauschens gebildet wird. Ein anderes Filter 78 wird durch eine Induktionsspule 86 und einen Kondensator 88 zwecks Reduzierens/Eliminierens des durch die Hochdrehzahlbürste 28 erzeugten Rauschens gebildet, während eine Induktionsspule 90 und ein Kondensator 92 ein Filter 80 zwecks Reduzierens/Eliminierens des durch die gemeinsame Bürste 34 erzeugten Rauschens bilden. Der Kondensator 38 stellt die parasitäre Kapazität dar, die zwischen dem Motorgehäuse 40 und dem Läufer 42 existiert. Der Kondensator 74 wirkt als Reservoir, aus dem zur Unterstützung aller durch die Filter verursachten kapazitiven Stromstöße Ladung gezogen werden kann, wenn das Relais geschaltet wird. Ohne den Kondensator 74 würden die Stromstöße durch den Kabelbaum 50 fließen und EMI-Probleme bewirken. Außerdem wird der Wert der Kondensatoren 84, 88, 92 entscheidend, um übermäßige Stoßströme beim Aufladen der Filterkondensatoren zu verhindern. Die Kondensatoren 84, 88, 92 müssen eine ausreichend geringe Kapazität haben, so dass das durch den Kondensator 74 bereitgestellte Reservoir die Signalstoßströme zu liefern vermag, weil sonst der Vorteil der Reduzierung des „Popp" und der Verlangsamung der Relaisverschlechterung gemindert wird. 6 stellt den Bürstenrauschpfad für die symmetrische Filtertopologie dar. Die Hochfrequenzkomponenten des Bürstenrauschens werden zum Motor 39 (P1 & P2) durch die Filter geleitet, ohne dass große Kondensatoren verwendet werden. Jedes verbleibende Bürstenrauschen wird zum Motor 39 zurück (Pm) durch den Kondensator 74 geleitet. Das ermöglicht den kleinstmöglichen Abstrahlkeulenbereich für die Hochfrequenzkomponenten des Bürstenrauschens und führt nicht zu einer unsymmetrischen Schaltung mit dem damit verbundenen Gleichtaktstörstrom. Da die abgestrahlten Emissionen direkt mit Gleichtaktstörströmen in Zusammenhang stehen, ist die symmetrische Bauart hinsichtlich der Reduzierung der abgestrahlten Emissionen bei gleichzeitigem Reduzieren und Eliminieren des durch die typischen Schaltungen erzeugten „Popp" von größerer Wirkung.
Die Schaltungsentwurf zur Unterdrückung des Rauschens in Einsatzfällen von Gleichstrom-Permanentmagnetmotoren ist besonders anspruchsvoll bei Anwendungen, in denen der Motor periodisch ein- und ausgeschaltet wird. Intervallscheibenwischer sind ein Beispiel einer solchen Anwendungsart. Hier müssen verschiedene Rauschquellen unterdrückt werden, die jeweils widersprüchliche Anforderungen stellen. Die Rauschquellen umfassen Breitbandbürstenkommutierungsrauschen und intermittierende „Popp"-Geräusche, die durch Stromstöße in Verbindung mit der Kondensatoraufladung und Lichtbogenbildung am Relaiskontakt hervorgerufen werden. In Fällen, in denen die Steuerschaltung am Motor angeordnet werden kann, genügt die erfindungsgemäße Filtertopologie gleichzeitig den mehrfachen einander widersprechenden Zwängen, was zu einer wesentlich besseren Rauschminderungsleistung führt.
Wie jede mit dem Fachgebiet der Gleichstrommotorgestaltung vertraute Person aus der voranstehenden detaillierten Beschreibung und aus den Figuren und Patentansprüchen erkennen wird, können Modifikationen und Änderungen an den Vorzugsausgestaltungen der Erfindung ausgeführt werden, ohne dass vom durch die nachfolgenden Patentansprüche definierten Geltungsbereich abgewichen wird.

Claims

Motorsteuerschaltung, umfassend: – einen Motor mit einer Motorwicklung und einer Bürste; – eine Batterie, die zur Energieversorgung des Motors an diesen angeschlossen ist; – ein Relais in selektiver Verbindung mit der Batterie und dem Motor zur selektiven Lieferung von Energie von der Batterie an den Motor; – eine an der Bürste angeschlossene Erdungsrückleitung, wobei ein elektrischer Rückpfad von der Bürste durch das Relais zurück zum Motor gebildet wird.
Motorsteuerschaltung nach Anspruch 1, wobei die Erdungsrückleitung außerdem einen Kondensator umfasst, der mit einem ersten Ende am Relais und mit einem zweiten Ende an der elektrischen Erdung angeschlossen ist.
Motorsteuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, außerdem umfassend eine erste Filterschaltung, die an der Bürste angeschlossen ist.
Motorsteuerschaltung nach Anspruch 3, wobei die erste Filterschaltung außerdem eine mit einem Kondensator elektrisch in Reihe geschaltete Induktionsspule umfasst.
Motorsteuerschaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Kondensator der ersten Filterschaltung mit der Erdungsrückleitung elektrisch parallel geschaltet ist.
Motorsteuerschaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die erste Filterschaltung mit der Erdungsrückleitung elektrisch in Reihe geschaltet ist.
Motorsteuerschaltung nach Anspruch 3, wobei der Motor eine gemeinsame Bürste enthält, die Motorsteuerschaltung außerdem eine zweite an die gemeinsame Bürste angeschlossene Filterschaltung umfassend, wobei die zweite Filterschaltung einen gemeinsamen Bürstenerdungspfad von der gemeinsamen Bürste zur elektrischen Erdung bildet.