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Die
Erfindung betrifft einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor
mit einem π-Filter.
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Ein
ECM hat in seiner Elektronik Kondensatoren, die in den ersten Mikrosekunden
nach dem Einschalten einen hohen Einschaltstrom verursachen. Auch
kann die fehlende Gegen-EMK in der Statorwicklung dann, wenn der
Motor noch steht oder sich nur langsam dreht, in der Statorwicklung
einen hohen Strom verursachen, der mit zunehmender Drehzahl abnimmt.
Diese Ströme können zu Schäden in der
Stromversorgungseinheit des Motors führen. Auch können
solche hohen Ströme die Folge haben, dass von den Zuleitungen
des Motors kurzzeitig hochfrequente Störsignale abgestrahlt
werden, was gegen gesetzliche Vorschriften verstoßen kann
und was auch zur Überlastung von Netzteilen führen kann.
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Man
kann solche Einschaltströme begrenzen, indem man in den
Zuleitungen mindestens einen steuerbaren Leistungs-Halbleiter anordnet,
dessen Eingangswiderstand bei zu hohen Strömen aktiv erhöht
oder erniedrigt wird, d. h. dieser Leistungs-Halbleiter wird alternierend
ein- und ausgeschaltet, um den Strom zu begrenzen, was man in der
Fachsprache auch als „Pulsen" bezeichnet, aber eine solche Lösung
ist teuer, denn für die auftretenden Ströme werden
teure Leistungs-Halbleiter benötigt, während aus
Kostengründen preiswerte Bauelemente wünschenswert
wären. Eine solche Lösung ist bekannt aus der
WO 2007/020419 A1 .
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Andererseits
ist es nicht möglich, nach dem Einschalten eines Motors
während einer längeren Zeitspanne einen hohen
Strom fließen zu lassen, weil das eine Überdimensionierung
der Stromversorgung erfordern würde, bzw. weil das durch Überlastung Schäden
in der Stromversorgung bewirken könnte.
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Besonders
bei mobilen Anwendungen wird auch verlangt, dass die Verlustleistung
im Motor und seiner Stromversorgung klein gehalten wird, um eine zu
starke Entladung einer Batterie zu vermeiden, welche den Motor mit
Strom versorgt.
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Es
ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, einen neuen, elektronisch
kommutierten Gleichstrommotor bereit zu stellen.
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Nach
der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch den Gegenstand
des Anspruchs 1.
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Da
bei einem elektronisch kommutierten Gleichstrommotor der Kondensator,
der zur Aufnahme der Rippelströme dient, gewöhnlich
die größte Kapazität hat, tritt beim
Einschalten des Motors ein entsprechend hoher Ladestromimpuls auf
welcher, zu diesem Kondensator fließt. Dieser Ladestromimpuls
vergrößert den Strom durch die Drossel, da sich dieser
Zwischenkreis-Kondensator auf die Spannung des Gleichstrom-Zwischenkreises
aufladen muss. Durch die Serienschaltung der Impedanz wird dieser Ladestromimpuls
reduziert, was zu einer entsprechenden Begrenzung des Eingangsstromes
führt.
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Eine
Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe
ist auch Gegenstand des Anspruchs 9. Hierdurch wird – neben
der Reduzierung des Einschalt-Stromimpulses – auch der
Wirkungsgrad des Motors verbessert, da durch die Überbrückung
dieser Impedanz in der Zuleitung zum Zwischenkreiskondensator entsprechende
Verluste entfallen, wenn der Motor normal läuft. Denn auch
während des normalen Laufes fließt ständig
ein kleiner Rippelstrom zum Zwischenkreiskondensator.
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Eine
Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe
ist ferner Gegenstand des Anspruchs 15. Hierbei ist es möglich,
die Impedanz des Halbleiterschalters auch zur Messung eines Betriebsparameters
zu verwenden, mit der dieser Halbleiterschalter gesteuert wird.
Auch wird hierdurch der Einschalt-Stromimpuls reduziert, da der
Ladestromimpuls für den Zwischenkreiskondensator entsprechend
zeitlich gesteuert werden kann.
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Weitere
Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus den im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten,
in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden
Ausführungsbeispielen. Es zeigt:
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1 eine
Darstellung von wesentlichen Elementen eines π-Filters
gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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2 eine
Darstellung eines Filters analog 1, gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform,
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3 eine
Variante des π-Filters der 1 ohne die
Löschdiode 38 der 1,
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4 eine
Darstellung des π-Filters der 1 mit der
Löschdiode 38,
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5 ein
Oszillogramm des Einschaltstroms bei der Variante gemäß 3,
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6 ein
Oszillogramm des Einschaltstroms bei der Variante gemäß 4,
wobei sich ein günstigeres Resultat ergibt,
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7 eine
vereinfachte Darstellung der in 2 dargestellten
Variante des π-Filters,
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8 eine
Variante zu 2, wobei der Strom zu einem
Kondensator 42 mittels eines Messwiderstands 50 gemessen
wird; wenn beim Einschalten dieser Strom zu hoch wird, wird der
dargestellte MOSFET gesperrt, um den Strom zu begrenzen, und
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9 eine
Variante, bei welcher der Messwiderstand 50 gemäß 8 entfällt
und statt dessen der Innenwiderstand RDS des eingeschalteten MOSFET 98 zur
Messung des Stromes dient, der zum Kondensator 42 fließt
und der nicht zu hoch werden darf.
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Die
Messungen in 5 und 6 wurden mit
derselben Schaltung gemacht, jedoch wurde bei 4 eine
Diode 38 verwendet, die bei 3 nicht verwendet
wurde. Die Gegenüberstellung der beiden Figuren zeigt also
die Wirkung der Diode 38 gemäß 3 und 4.
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1 zeigt
die bevorzugte Grundstruktur eines EMV-Filters nach der vorliegenden
Erfindung. Links befindet sich eine Einheit 20 zur Stromversorgung,
die als Batterie 22 (mit einer Spannung von z. B. 16 V)
dargestellt ist, wobei es sich oft um ein Netzgerät handelt,
das in der Lage sein muss, entsprechend hohe Ströme zu
liefern, z. B. als ECU (Electronic Control Unit).
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In 1 befindet
sich rechts ein elektronisch kommutierter Motor, der hier als dreiphasiger
Motor 24 mit integrierter Elektronik 26 dargestellt
ist und der zum Antrieb eines (nicht dargestellten) Geräts
dient. Die Kommutierungselektronik 26 enthält
verschiedene Kondensatoren, was beim Einschalten einen hohen Einschaltstrom
zur Folge hat.
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Zwischen
der Einheit 20 und der Kommutierungselektronik 26 befindet
sich ein EMV-Filter 30, das als π-Filter ausgebildet
ist und dessen Funktion es ist, den Einschaltstrom sowohl der Höhe
wie der Zeitdauer nach in vorgegebenen Grenzen zu halten.
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Das π-Filter 30 enthält
eine Drossel 32. Der Motor 24 kann z. B. einen
Betriebsstrom I in Höhe von etwa 1,5 A haben. Die Richtung
dieses Stromes I ist bei 36 angegeben.
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Parallel
zur Drossel 32 ist eine Diode 38 geschaltet, durch
die beim Einschalten ein Teil des Stromes I von der Einheit 20 zum
Motor 24 und seiner Elektronik 26 fließt.
Diese Diode 38 kann auch als Löschdiode bezeichnet
werden, und dient zum Eliminieren der Gegenspannung, die durch Selbstinduktion
entsteht, wenn man im Einschaltvorgang von außen eine Spannung
anlegt.
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Im
Einschaltmoment schließt die Diode 38 die Drossel 32 kurz.
Dadurch entsteht ein größeres di/dt, was zur Folge
hat, dass der Kondensator 42 in den ersten Mikrosekunden
schneller geladen wird und somit den Gesamtladevorgang beschleunigt.
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Der
Motor 24 und seine Elektronik 26 erzeugen im Betrieb
einen sog. Rippelstrom ir, der in 2 dargestellt
ist, und der alternierend den Kondensator 42 auflädt
und direkt anschließend wieder entlädt, so dass
man ihn auch als Blindstrom bezeichnen kann. Zur Lieferung dieses
Rippelstroms, der seiner Natur nach ein Wechselstrom ist, dient
der Kondensator 42, der hier als Elektrolytkondensator
mit einem Wert von z. B. 47 μF ausgebildet ist. Er ist
mit seinem positiven Anschluss 44 an die positive Seite 46 des
dargestellten Gleichstrom-Zwischenkreises 46, 52 angeschlossen,
und sein negativer Anschluss 48 ist über einen Widerstand 50 (z.
B. 2,2 Ohm) an den negativen Anschluss 52 des Zwischenkreises
angeschlossen. Seine Anschlüsse an die Stromquelle 20 sind
mit 56 (positiv) und 52 (negativ bzw. Masse) bezeichnet.
Zusätzlich zum Widerstand 50 kann gemäß 2 auch ein
MOSFET 98 verwendet werden, der abhängig vom Eingangsstrom
des Filters den Strom zum Kondensator 42 aus- und einschaltet,
meist mit einer Frequenz von mehreren 1.000 Hz (oberhalb des hörbaren
Bereichs, also von > 16
kHz).
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Das
in 1 und 2 dargestellte EMV-Filter 30 dient
u. a. dazu, die Aussendung von leitungsgebundenen Störungen
vom Motor 24, 26 zu verhindern, ebenso auch das
Eindringen von Störungen von der Stromversorgung 20.
Letztere ist meistens eine ECU, d. h. dieses Teil schaltet den Motor 24, 26 ein
und aus und wird in vielen Fällen von einem sog. Bus 60 zentral
gesteuert, wobei Störspannungen zum Motor 24, 26 gelangen
könnten, was aus verschiedenen Gründen unerwünscht
ist. Außerdem ist es wichtig, die Ströme zum Motor 24, 26 so niedrig
zu halten, dass die Stromversorgung 20 nicht durch Überströme
beschädigt oder zerstört werden kann.
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Zwischen
dem Eingang 56 und dem Ausgang 46 des Zwischenkreises
ist zur Dämpfung von Störungen, besonders beim
Einschaltvorgang, die Drossel 32 vorgesehen, und parallel
zu ihr die Diode 38. Die Drossel 32 dient also
zur Unterdrückung von leitungsgebundenen Störemissionen
in beiden Richtungen, also einmal vom Netzteil 20 zum Motor 24, 26,
und – in umgekehrter Richtung – vom Motor 24, 26 zum
Netzteil 20.
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Beim
Einschalten fließt durch die Drossel 32 ein hoher
Ladestrom I, der in der Drossel 32 durch Gegeninduktion
eine hohe induzierte Spannung verursachen würde. Die Diode 38 dient
dazu, beim Einschalten die Drossel 32 zu überbrücken
und dadurch diese hohe induzierte Gegenspannung zu unterdrücken.
Durch die Diode 38 wird das π-Filter nicht negativ
beeinflusst, d. h. die Diode 38 erfüllt eine Doppelfunktion:
Im
Einschalt-Augenblick schließt sie die Drossel 32 kurz,
was eine Dämpfung des Schwingkreises bewirkt, der von der
Drossel 32 und einem Kondensator 82 auf der Eingangsseite 32 und
den Kondensatoren 90 und 42 auf der Ausgangsseite
der Drossel 32 gebildet wird.
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Dagegen
hat die Diode 38 in der Gegenrichtung die Wirkung, dass
sie leitungsgebundene Störungen sperrt. Störsignale
vom Motor 24 werden deshalb durch die Diode 38 blockiert
und folglich gezwungen, durch die Drossel 32 zu fließen.
Es handelt sich also um eine spezielle Form eines π-Filters 30.
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Ohne
die Diode 38 könnte der erforderliche Strom I,
der beim Einschalten sehr hoch werden kann, nicht im erforderlichen
Zeitraum auf einen zulässigen Wert abgesenkt werden. Dieser
Zeitraum kann z. B. 30 μs betragen, und dieser Strom könnte die
ECU beschädigen.
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Hierzu
wird verwiesen auf die 5 und 6.
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5 zeigt
den Einschaltvorgang des Motors 24, 26 in einem
Fall gemäß 3, bei dem
die Diode 32 nicht verwendet wird. Gewünscht ist
hier, dass der Einschaltstrom I innerhalb von 0,03 ms nach dem Einschalten
unter 5 A abklingt. Diese Forderung ist aber hier nicht sicher erfüllt.
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6 zeigt
den Einschaltvorgang bei den Anordnungen nach den 1, 2 und 4,
also mit Diode 38.
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Direkt
nach dem Einschalten erhält man eine Stromspitze 70 mit
etwa 10 A, die nach etwa 10 μs unter 5 A und dann in Richtung
auf den Dauerstrom des Motors 24, 26 weiter abfällt.
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Mit 72 ist
ein Gebiet bezeichnet, das bei dieser Applikation eine Art verbotener
Zone darstellt. Ein Vergleich der 5 und 6 zeigt,
dass dies mit der Löschdiode 38 diesem π-Filter 30 wesentlich besser
und weitgehend ohne Mehrkosten gelingt, da eine solche Diode nur
sehr wenig kostet.
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2 zeigt
am Eingang (links) des Filters 30 drei Kondensatoren 82, 84, 86,
die dazu dienen, leitungsgebundene Störungen auf der Zuleitung
zum Filter 30 zu unterdrücken. Bevorzugte Werte:
Kondensator 82: 100 nF; Kondensatoren 84, 86:
je 220 nF.
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An
ihrem Ausgang ist die Drossel 32 an einen Knotenpunkt 84 angeschlossen,
der über den Kondensator 90 (z. B. 100 nF) mit
Masse 52 verbunden ist. Der Kondensator 90 unterdrückt
leitungsgebundene Störungen, die vom Motor 24, 26 kommen. Bei
einem Motor mit Kollektor, wo ein solches Filter ebenfalls verwendet
werden kann, können solche Störungen z. B. vom
Kollektor kommen. Der Knotenpunkt 84 ist über
eine Diode 92 mit der Leitung 46 verbunden. Die
Diode 92 verhindert Schäden für den Fall,
dass das π Filter 30 und die diesem nachgeordnete
Elektronik mit der falschen Polarität an die Gleichspannungsquelle 20 (1)
angeschlossen wird.
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Zwischen
der Leitung 46 und Masse 52 ist die Serienschaltung
des Kondensators 42 und des Widerstands 50 angeschlossen.
Zwischen dem Knotenpunkt 48 und Masse 52 ist ein
MOSFET 98 geschaltet, der Teil eines Zeitglieds 100 ist.
Letzteres ist an eine Hilfsspannung UH angeschlossen.
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Nach
dem Einschalten der Gleichspannungsquelle 20 wird diese
geregelte Hilfsspannung uH erzeugt. Diese aktiviert das Zeitglied 100,
und nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne von z. B. 0,1 ms aktiviert
es den MOSFET 98, so dass dieser den Widerstand 50 überbrückt
und folglich der Kondensator 42 direkt zwischen den Leitungen 46 und 52 angeschlossen
ist. Jedoch kann das Zeitglied 100 ggf. entfallen, wenn
der Widerstand 50 so groß gemacht werden kann,
dass der Grenzwert für den Einschaltstrom 70 (4)
eingehalten werden kann, wobei freilich der Wirkungsgrad des Motors
sinkt und die Störabstahlung zunehmen kann.
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Der
Widerstand 50 kann in manchen Fällen auch entfallen,
um den Wirkungsgrad des Motors zu verbessern, was in 2 durch
eine gestrichelte Linie angedeutet ist, wobei dann der MOSFET 98 z.
B. ständig aus- und eingeschaltet wird. Der Wegfall des Widerstands 50 bewirkt
eine Verbesserung des Motor-Wirkungsgrades. Der MOSFET 98 wird
in diesem Fall nach dem Einschalten gesperrt und nach dem Ablauf
einer vorgegebenen Zeitspanne leitend gemacht.
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Naturgemäß sind
im Rahmen der vorliegenden Erfindung vielfache Abwandlungen und
Modifikationen möglich. Z. B. kann in 2 statt
des Zeitglieds 100 auch ein Schaltglied verwendet werden, dass
abhängig vom Strom in der Leitung 46 ist und den
MOSFET 98 nichtleitend macht, wenn dieser Strom zu hoch
wird.
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Ebenso
kann anstelle der Diode 38 auch ein Transistor verwendet
werden, der abhängig von geeigneten Betriebparametern aus-
und eingeschaltet wird, um den Einschaltstrom in der gewünschten Weise
zu beeinflussen.
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7 zeigt
eine einfache Variante zu 2. Parallel
zur Drossel 32 ist hier wieder die Löschdiode 38 geschaltet.
Zwischen den Eingängen 52 und 56 befindet
sich der Baustein 77, dessen Aufbau bei 2 dargestellt
und beschrieben ist.
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Zwischen
dem Ausgang 46 der Diode 92 und Masse 52 ist
ein Zeitglied 100 vorgesehen, das dann einen MOSFET 98 ausschaltet,
wenn in 7 die Spannung zwischen den
Anschlüssen 46 und 52 einen bestimmten
Grenzwert überschreitet, so dass dann der Ladestrom (2:
ir) unterbrochen wird und folglich auch der Strom I reduziert wird.
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8 zeigt
eine Variante zu 7. Auch in 8 befindet
sich am Eingang der Baustein 77. Die Serienschaltung vom
Kondensator 42 und Widerstand 50 ist zwischen
die Leitungen 46 und 52 in der gleichen Weise
angeschlossen wie in 2. Die Spannung am Widerstand 50 wird
einem ASIC 102 zu geführt und bewirkt, dass der
MOSFET 98 eingeschaltet wird und den Widerstand 50 überbrückt, wenn
der Einschaltstrom I kleiner geworden ist, so dass im Dauerbetrieb
der Kondensator 42 über den leitenden MOSFET 98 direkt
an die Leitung 52 angeschlossen ist.
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9 zeigt
eine Variante zu 8, bei der der Widerstand 50 entfällt.
Der Innenwiderstand RDS des eingeschalteten
MOSFET 98 dient zur Erfassung des Rippelstromes ir. Damit
wird ein Baustein 104, z. B. ein ASIC, gesteuert, der den
MOSFET 98 voll einschaltet, wenn der Einschaltstrom (vgl. 5 und 6)
abgeklungen ist.
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Naturgemäß sind
im Rahmen der vorliegenden Erfindung vielfache Abwandlungen und
Modifikationen möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2007/020419
A1 [0003]