DE202010003184U1

DE202010003184U1 - Modulare elektrische Schaltung

Info

Publication number: DE202010003184U1
Application number: DE202010003184U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-03-04
Filing date: 2010-03-04
Publication date: 2010-06-17
Anticipated expiration: 2020-03-05

Abstract

Modulare elektronische Schaltung (51, 52, 53, 54, 55, 56) zur Erzeugung von elektrischer Energie in Verbindung mit einem bürstenlosen, elektronisch kommutierten Generator (90) oder zur Ansteuerung eines bürstenlosen, elektronisch kommutierten Motors (90), wobei die Schaltung (51, 52, 53, 54, 55, 56) eine übergeordnete programmierbare und austauschbare Gesamtverwaltung (1) beinhaltet, in der je nach Anwendungsfall verschiedene Programme gespeichert sind, und die elektrisch mit mindestens einem Prozessormodul (4) verbunden ist, wobei das Prozessormodul (4) mindestens über ein Treibermodul (19) mindestens ein Leistungsmodul (27) ansteuert, und dass das Leistungsmodul (27) elektrisch mit mindestens einer Wicklung (31, 35, 36, 37) des Generators (90) oder des Motors (90) verbunden ist, wobei das Leistungsmodul (27) als H-Brücke für jede Wicklung (31, 35, 36, 37) ausgebildet ist, und dass das Prozessormodul (4), das Treibermodul (19) und das Leistungsmodul (27) insgesamt oder teilweise austauschbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische modular aufgebaute Schaltung für elektronisch kommutierte Elektromotoren bzw. Generatoren, die mit einem permanentmagnetischen Rotor und einem mit einer Wicklung ausgestatteten Stator ausgestattet sind. Dabei wird die Wicklung durch einen Erregerstrom gespeist. Die einzelnen Wicklungen sind jeweils innerhalb einer transistorbestückten Brückenschaltung verschaltet.
Eine derartige Brückenschaltung, die als elektronische H-Schaltung aus vier Halbleiterschaltern besteht, arbeitet vorzugsweise nach dem Puls-Weiten-Prinzip. Dabei wird eine Gleichspannung in eine Wechselspannung variabler Frequenz und variabler Pulsbreite umgewandelt. Derartige H-Brückenschaltungen können auch Wechselspannungen unterschiedlicher Frequenzen in beiden Richtungen umwandeln.
Die Grundschaltung eines derartigen Vierquadrantenstellers besteht aus zweimal zwei in Reihe geschalteten Transistoren, denen jeweils eine Freilaufdiode in Sperrrichtung zugeschaltet ist. Dabei ist zwischen den beiden Hälften der Brückenschaltung der zu steuernde Gleichstrommotor bzw. -generator mit seinen Wicklungen angeschlossen.
Um eine sichere Ansteuerung der H-Brücke zu erreichen, wird eine Ansteuerlogik mit belastbaren Treiberstufen verwendet. Diese Logik stellt sicher, dass nicht mehrere Transistoren gleichzeitig durchgeschaltet werden können. Derartige elektronische Schaltungen zeichnen sich dadurch aus, dass diese die elektrische Leistung auch bei wechselnden Polaritäten in beiden Richtungen problemlos schalten. So ist es auch möglich, dass zum Beispiel ein derartiger Antrieb beim Bremsen Energie ins Netz zurückspeist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine elektronische Schaltung zu schaffen, die mit möglichst geringem Aufwand hergestellt werden kann und darüber hinaus für unterschiedlichste Anwendungszwecke einsetzbar und kostengünstig herstellbar ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben dabei eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gedankens wieder.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, eine modulare elektronische Schaltung zu verwenden, die sowohl zur Erzeugung von elektrischer Energie bei einem bürstenlosen, elektronisch kommutierten Generator oder aber auch zur Ansteuerung eines bürstenlosen, elektronisch kommutierten Motors einsetzbar ist. Dabei sind der Motor bzw. der Generator als einsträngige oder mehrphasige, elektronisch kommutierte Vorrichtungen anzusehen.
Die elektronische modulare Schaltung weist dabei eine übergeordnete, programmierbare und austauschbare Gesamtverwaltung auf, die mindestens ein oder mehrere Prozessormodule verwalten kann. Das Prozessormodul steuert dabei mindestens ein Treibermodul, dessen Ausgang mindestens ein Leistungsmodul ansteuert. Das Leistungsmodul ist dabei elektrisch mit mindestens einer Wicklung des Generators bzw. des Motors verbunden. Vorzugsweise besteht das Leistungsmodul aus mindestens einer einfachen H-Brücke für jede der einzelnen Wicklungen.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die einfache H-Brücke auch als Doppel-H-Brücke oder als Dreifach-H-Brücke ausgebildet werden. So können beispielsweise bei einer Doppel-H-Brücke für die positive Halbwelle des Spannungsverlaufes vier Transistoren und für die negative Halbwelle des Spannungsverlaufes ebenfalls vier weitere Transistoren eingesetzt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform sind diese Transistoren als Leistungshalbleiter vorzugsweise als MOS-FETs oder Silizium-Carbid oder dergleichen ausgebildet.
Durch die Verwendung einer Doppel- oder Dreifach-H-Brücke wird zwar die Anzahl der Leistungstransistoren verdoppelt oder verdreifacht, jedoch wird in einem solchen Fall auch die Verlustleistung auf die entsprechende Anzahl der Leistungstransistoren verteilt. Dadurch sinken die Anforderungen an die Leistungstransistoren. Es können nämlich preiswertere Leistungstransistoren verwendet werden. Durch die größere Anzahl der Transistoren entstehen bei der Ansteuerung längere Pausen, in denen die einzelnen Leistungstransistoren wieder abkühlen können.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsart können die Leistungstransistoren auf einem Halbleiter-Chip untergebracht werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können die Transistoren als IGBT (insulated gate bipolar transistor) ausgebildet werden.
Sowohl die Gesamtverwaltung als auch die einzelnen Prozessormodule können separate, nicht flüchtige Speicher für unterschiedliche, veränderbare und austauschbare Programme aufweisen. So ist es sichergestellt, dass je nach Anwendungsfall eine entsprechende Software in den Speichern abgelegt werden kann, die anschließend dafür sorgt, dass eine ordnungsgemäße Steuerung bzw. Regelung des Generators bzw. des Motors erfolgt.
So liegt es im Sinne der Erfindung, dass an eine übergeordnete Gesamtverwaltung je nach Leistung mehrere Prozessormodule mit anschließenden Treibermodulen und Leistungsmodulen angeschlossen werden können. Derartige Zusammenschaltung von mehreren Modulen wird vorzugsweise über eine Busschnittstelle realisiert.
Dadurch, dass die elektronische modulare Schaltung für unterschiedlichste Anwendungszwecke eingesetzt werden kann, ist es möglich, dass auch innerhalb der einzelnen Schaltungen zusätzliche Sicherheitseinrichtungen eingesetzt sind.
So ist es in einer bevorzugten Ausführungsform möglich, dass das Prozessormodul mit einem Temperaturüberwachungsmodul für die einzelnen Wicklungen elektrisch verbunden ist. Hierdurch wird sichergestellt, dass keine Überhitzung der Wicklungen stattfindet, die zu einer Beschädigung oder Zerstörung des Motors bzw. Generators führen könnten.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Prozessormodul mit einem Sensorikmodul elektrisch verbunden. Dieses Sensorikmodul kann unterschiedlichste Aufgaben erfüllen. So können beispielsweise eine Positionsbestimmungseinrichtung und/oder ein Beschleunigungssensor und/oder ein Temperatursensor oder dergleichen vorhanden und angeschlossen sein.
In einer weiteren, ebenfalls bevorzugten Ausführungsform ist es möglich, dass das Prozessormodul mit einem Hardware-Fehlererkennungsmodul verbunden wird. Durch diese elektrische Verbindung wird ebenfalls sichergestellt, dass an der Ausführung des Generators bzw. des Motors während des Betriebes kein Schaden aufkommen kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist es möglich, dass das Prozessormodul mit einer Geschwindigkeitsvorgabe und/oder einem Fahrtrichtungsvorgabemodul elektrisch verbunden wird. Eine derartige Ausführung würde jedoch nur dann zum Tragen kommen, wenn nur eine Schaltung mit der übergeordneten Gesamtverwaltung verwendet wird. Bei dem Einsatz mehrer Schaltungen mit einer Gesamtverwaltung ist es zweckmäßig sinnvoll, diese Geschwindigkeitsvorgabe bzw. das Fahrtrichtungsvorgabemodul innerhalb der Gesamtverwaltung zu integrieren, weil derartige Vorgaben nur dann Sinn machen, wenn sie von übergeordneter Position aus vorgegeben werden.
Das Gleiche trifft für die Verwendung eines Netzteiles zu, das vorzugsweise als Schaltnetzteil ausgeführt ist. Dieses Netzteil, das eine geringe Verlustleistung beinhaltet, liefert verschiedene Ausgangsspannungen, die insbesondere zur Versorgung der unterschiedlichen Module innerhalb der elektronischen modularen Schaltung verwendet werden. Auch hier ist in einer bevorzugten Ausführungsform die Unterbringung des Schaltnetzteiles innerhalb der Gesamtverwaltung möglich, da bei einer derartigen Ausführungsform nur ein Netzteil für eine größere Anzahl von austauschbaren modularen Schaltungen notwendig ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein Temperaturüberwachungsmodul neben einem Stromüberwachungsmodul vorhanden, das über einen Shunt den Motorstrom bzw. den Generatorstrom misst, damit dieser einen bestimmten Wert nicht überschreitet bzw. bei bestimmten Verwendungen nicht unterschreitet.
Die Leistungsgröße des Generators bzw. des Motors kann von ganz geringen Leistungen bis großen Leistungen schwanken. Jedoch ist es mit der erfindungsgemäßen modularen Schaltung möglich, die gesamte Bandbreite der einsetzbaren Generatoren bzw. Motoren abzudecken. Dieses geschieht dadurch, dass je nach Leistungsgröße mindestens ein Modul der Schaltung vorhanden ist bzw. bei größeren Leistungen mehrere Module verschaltet werden, so dass den Leistungsanforderungen gerecht werden. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass bei einem Ausfallen eines der Module dieses nur ausgetauscht werden muss und nicht die gesamte Elektronik. Ferner ist es kostengünstiger eine bestimmte Anzahl von Modulen bei einer geforderten Leistung zusammen zustellen, als jedes Mal für eine neue Konfiguration neue Platinen zu erstellen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die elektronische modulare Schaltung, auch in mehrfacher Ausführung, in dem Motor oder in dem Generator als austauschbare Module integriert sein. In einem solchen Falle wäre es sinnvoll das Modul als integrierten Baustein auszuführen, bei denen auch die Kühlung besser realisiert werden kann.
Als sehr leistungsstarken und sehr induktivitätsarmen Motor bzw. Generator, bei dem keine hohen Ströme fließen und damit auch keine hohen Verlustleistungen erzeugt werden, hat sich ein Motor bzw. Generator herausgestellt, der eisenlos ist und dessen Wicklung als Scheibe ausgebildet ist. Die Wicklungsscheibe wird von seitlichen Magneten flankiert. So ist es möglich, dass je nach Anwendungsfall eine derartige Ausführung als Außenläufer bzw. auch als Achsläufer ausgebildet werden kann. Die flache Scheibe kann aus mehreren Wicklungen bestehen, wobei die einzelnen Drähte der Wicklungen vorzugsweise aus verdrillten Litzen bestehen. Eine derartige Ausführung als Motor oder Generator zeichnet sich durch ein konstantes Drehmoment über den gesamten Drehzahlbereich aus. So kann je nach Anwendungsfall das Steuer-/Regelmodul so beschaffen sein, dass unterschiedliche Programme gespeichert werden. Derartige Programme beinhalten zum Beispiel Anfahrphasen oder Bremsphasen. Ferner kann auch der Verlauf einer bestimmten Fahrstrecke bei einem Motor entsprechend abgespeichert werden. Zu den erlernbaren bzw. veränderbaren Parametern können auch eine Drehzahlbegrenzung, eine Strombegrenzung bzw. eine Kraftbegrenzung gehören. Dabei sind die Programme vorzugsweise in mindestens einem nicht flüchtigen Speicher gespeichert.
Die Wicklung einer derartigen vorbeschriebenen Maschine ist als freitragende, ohne Träger ausgeführte, flache Scheibenwicklung anzusehen. Dabei wird die Wicklung nach einem bestimmten Wickelschema z. B. als Bifilar- oder Mäanderwicklung gewickelt und durch eine hitzebeständige Vergussmasse in ihrer Lage fixiert. Zur Erhöhung der Standfestigkeit der Wicklung kann diese mit einem Gewebe, zumindest im Außenbereich versehen werden. Ein solches Gewebe kann beispielsweise aus Glasfasern oder einer Glasfasermatte bestehen.
In einem weiteren Schritt kann zur Erhöhung des Wirkungsgrades die Vergussmasse mit einem Grafitpulver oder Grafitgranulat oder mit einem ferromagnetischen Werkstoff versetzt werden.
Die mit der Wicklung zusammenwirkenden Permanentmagnete bestehen aus einem Werkstoff vorzugsweise der Seltenen-Erden oder Ferritwerkstoff, wie beispielsweise Barium- oder Strontium-Ferrit bzw. NdFeB. Diese Magnetwerkstoffe stehen für eine hohe Effizienz und garantieren mit der vorbeschriebenen Wicklung und einem kleinen geringen Luftspalt zwischen der Wicklung und den Permanentmagneten einen hohen Wirkungsgrad für den Motor bzw. Generator ab.
Je nach Ausführung und Anwendungsfall kann beispielsweise die Ausführung als Generator bei einem Außenläufer mit einem Rotorgestell verbunden werden. Bei der Ausführung als Motor kann dieses an den Umfangsflächen mit einer Verzahnung oder mit einem Reibbelag oder dergleichen versehen werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen schematisch dargestellten, nicht abschließend aufgeführten, möglichen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigt:
1: Eine erste mögliche bevorzugte Ausführungsform einer modularen elektronischen Schaltung;
2: eine mögliche zweite bevorzugte Ausführungsform einer modularen elektronischen Schaltung;
3: eine mögliche bevorzugte Ausführungsform einer Leistungsstufe für einen Drehstrombetrieb;
4: den Spannungsverlauf gemäß der 3;
5: eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer Doppel-H-Brücke;
6: den Spannungsverlauf gemäß 5 für eine Sinuswelle;
7: eine erste mögliche bevorzugte Ausführungsform einer modularen Ausführung mit mehreren elektronischen Schaltungen;
8: eine zweite mögliche bevorzugte Ausführungsform;
9: eine mögliche bevorzugte Ausführungsform einer Motorausführung bzw. Generatorausführung.
In der 1 wird in einer ersten bevorzugten Ausführungsform ein Blockschaltbild eines Modules einer elektronischen Schaltung 51, 52, 53, 54, 55, 56 wiedergegeben. Die als Universalschaltung 51, 52, 53, 54, 55, 56 bezeichnete Darstellung der 1, wird vorzugsweise von einer Gesamtverwaltung 1 verwaltet. Innerhalb der Gesamtverwaltung 1 sind entsprechende Mikroprozessoren und Speicher, in denen die für den Betrieb des Generators bzw. des Motors 90 notwendige Software mit den entsprechenden, auch sicherheitsrelevanten, Programmen abgespeichert sind. Diese Gesamtverwaltung 1 muss nicht unbedingt Bestandteil der Universalschaltung 51 bis 56 sein. Sie kann auch außerhalb der sonst üblicherweise innerhalb des Generators/Motors 90 enthaltenen Universalschaltung 51 bis 56 angeordnet sein.
Über eine elektrische Verbindung 3 wird von der Gesamtverwaltung 1 ein Prozessormodul 4 angesteuert. Das Prozessormodul 4 sorgt für die grundsätzliche direkte Ansteuerung der Schaltung 51 bis 56. Bei Verwendung mehrer Universalschaltungen 51 bis 56 kann untereinander neben der Gesamtverwaltung 1 auch eine Verbindung über eine Busschnittstelle 75 hergestellt werden. Darüber hinaus können an der Busschnittstelle 75 entsprechende Daten ausgelesen bzw. auch Parameter umprogrammiert werden.
Über eine elektrische Verbindung 11 ist ein Sensormodul 2 mit dem Prozessormodul 4 verschaltet. Über das Sensormodul 2 werden entsprechende, sensorisch notwendige Informationen an das Prozessormodul 4 weitergeleitet. Diese entsprechenden Informationen werden entweder in einem nicht dargestellten Speicher innerhalb des Prozessormoduls 4 abgespeichert oder aber über den auch nicht dargestellten Mikroprozessor direkt verarbeitet.
Des Weiteren wird eine Geschwindigkeitsvorgabe 12 über eine elektrische Verbindung 13 mit dem Prozessormodul 4 verbunden.
Das Prozessormodul 4 steuert über eine elektrische Verbindung 16 ein Treibermodul 19 an, welches über eine elektrische Verbindung 26 die Leistungsendstufe 27, auf die noch später näher eingegangen wird, ansteuert. Die Leistungsendstufe 27 ist über elektrische Verbindungen 28, 29 mit entsprechenden Wicklungen oder Teilwicklungen 31, 35, 36, 37 des Generators/Motors 90 verbunden. Durch den besonderen Aufbau des Generators/Motors 90, auf den auch noch später näher eingegangen wird, weisen die einzelnen Wicklungen 31, 35, 36, 37 nur geringe Induktivitäten auf, damit die Verlustleistungen innerhalb des Generators/Motors 90 gering bleiben. Die Wicklung 31, 35, 36, 37 ist mit einem thermischen Sensor 30 verbunden. Des Weiteren ist die Wicklung 31, 35, 36, 37 über elektrische Verbindungen 33, 34 mit einem Temperaturüberwachungsmodul 32 elektrisch verbunden. Das Temperaturüberwachungsmodul 32 meldet über eine elektrische Verbindung 15 die Temperatur an das Prozessormodul 4. Diese Information wird in dem Prozessormodul 4 entsprechend so verarbeitet, dass keine Überhitzung der Wicklungen 31, 35, 36, 37 möglich ist.
Die Ausgangsspannung der Leistungsstufe 27, je nach Verwendung, ob als Motor oder Generator, kann bei einem Motorbetrieb beispielsweise über die elektrische Verbindung 6 und 7 abgegriffen werden. Innerhalb der Verbindung 7 ist ein Shunt 24 über eine elektrische Verbindung 25 eingebunden, das mittels eines Stromüberwachungsmoduls 23 eine Überwachung des Stromes auf Kurzschluss und zu hohen Betriebsströme vornimmt. Das Ergebnis dieses Stormüberwachungsmoduls 23 wird über eine elektrische Verbindung 22 an ein Fehlererkennungsmodul 18 weitergeleitet. Dieses Fehlererkennungsmodul 18, das auch über eine elektrische Verbindung 17 mit dem Treibermodul 19 und über eine elektrische Verbindung 21 mit einem Spannungsüberwachungsmodul 20 verbunden ist, stellt eine Funktionsüberprüfung der Hardware innerhalb dieser Module sicher. Das Ergebnis wird über eine elektrische Verbindung 14 an das Prozessormodul 4 weitergeleitet.
Die entsprechende Stromversorgung für die innerhalb der Schaltung 51 bis 56 enthaltenen Module wird über ein Netzteil 5 sichergestellt. Das Netzteil 5 hat entsprechende Ausgänge 8, 9, 10, die unterschiedliche Spannungsgrößen beinhalten, je nach Verwendung der einzelnen Prozessoren, Speicher usw.
In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform gemäß der 2 ist die Schaltung 51 bis 56 für einen modularen Aufbau so ausgelegt, dass die Schaltungen 51 bis 56 bei einem Defekt einzeln ausgetauscht werden können. Für eine derartige Ausführungsform bietet es sich an, dass innerhalb der Gesamtverwaltung 1 auch das Netzteil und die Geschwindigkeitseinstellung bzw. die Richtungsdrehzahl enthalten sind, da diese für einen Motor- oder Generatorbetrieb nur einmal benötigt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann auch jedes einzelne Modul eine eigene Spannungsversorgung aufweisen. Eine solche Variante hätte den Vorteil, dass bei einem Ausfall eines Netzteiles alle anderen Module weiter in Funktion bleiben können, was die Betriebssicherheit erhöhen würde. So kann bei Feststellung eines Netzteilausfalles eines Modules das gesamte System auch geregelt heruntergefahren werden.
In der 3 wird in einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel eine Schaltung der Leistungsstufe 27 für eine Anwendung bei einem Dreiphasenbetrieb mit den Phasen 46, 47, 48 wiedergegeben. Die Ausführung dieser Leistungsstufe 27 ist als H-Brücke für jede Phase 46 bis 47 getrennt dargestellt worden. Dabei sind für die Phase 46 beispielsweise die Leistungstransistoren 38, 39, 40, 41 eingesetzt worden. Über elektrische Verbindungen 49 und 50 wird innerhalb der H-Brücke eine Verbindung zu den Wicklungen 31, 35, 36, 37 des Generators/Motors 90 hergestellt.
Beispielsweise bei einer positiven Ansteuerung des Transistors 41 über das Treibermodul 19 wird dieser Transistor 41 durchgeschaltet, so dass eine Bestromung der Wicklungen 31 bis 37 erfolgt und gleichzeitig wird auch der Transistor 40 angesteuert, so dass eine Verbindung zwischen den Leitungen 6 und 7 erfolgt.
Bei einer negativen Halbwelle wird entsprechend der Ansteuerung über das Treibermodul 19 der Transistor 38 und der Transistor 39 angesteuert, so dass die negative Halbwelle des Spannungsverlaufes durchgeschaltet wird.
Über die Transistoren 38, 39, 40, 41 sind entsprechende Freilaufdioden 67, 68, 69, 70 geschaltet. Der Übersicht halber sind diese Freilaufdioden 67, 68, 69, 70 in den beiden anderen Phasen 47 und 48 nicht eingezeichnet worden, obwohl sie gleichwohl vorhanden sind. Die Transistoren 38, 39, 40, 41 werden über das Treibermodul 19 mit einer entsprechenden Taktfrequenz geschaltet. Dieses bedeutet, dass immer nur zu einem geringen Zeitpunkt die entsprechenden Transistoren 38, 39, 40, 41 durchgeschaltet sind. Durch diese Maßnahme wird sichergestellt, dass die Einschaltzeit des einzelnen Transistors gering ist und somit längere Kühlphasen vorhanden sind. Die Ansteuerung der Phasen 47 und 48 mit den Transistoren 57 bis 64 geschieht in analoger Weise wie bei der Phase 46.
In der 4 wird der Spannungsverlauf von drei Phasen, die jeweils um 120° versetzt sind, noch einmal dargestellt.
In der 5 ist in einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel eine Doppel-H-Brücke wiedergegeben worden. Dieses bedeutet im Gegensatz zu der 3, dass zusätzlich zu den bereits beschriebenen Transistoren die gleiche Anzahl noch einmal hinzukommt, was gleichzeitig bedeutet, dass die Taktfrequenz des einzelnen Transistors herabgesetzt wird und somit noch größere Kühlphasen oder Abkühlzeiten der nicht durchgeschalteten Transistoren vorhanden sind. Mit einer derartigen Anordnung können höhere Leistungen mit preiswerteren Bauteilen geschaltet werden. Durch die Erhöhung der Anzahl der Leistungstransistoren kann eine Herabsetzung der Frequenz erfolgen. Es ist aber auch möglich, dass die Frequenz dadurch erhöht werden kann, was bis zur Verdoppelung gehen kann.
Die einzelne Zündfolge der Transistoren ist aus der 6 zu entnehmen, bei der für die positive Halbwelle die Transistoren 41 und 43 in einem ersten Takt und anschließend die Transistoren 39 und 45 in einem zweiten Takt durchgeschaltet werden. Gleichfalls für die negative Halbwelle werden die Transistoren 38 und 42 als auch die Transistoren 40 und 44 zur Bestromung der Wicklungen 31, 35, 36, 37 durchgeschaltet. Auch in diesem Ausführungsbeispiel sind die Freilaufdioden 67 bis 74 über die Transistoren 38 bis 45 als Schutzdioden geschaltet.
Entsprechend der 7 kann bei der Ausführung der Schaltungen 51 bis 56 in mehrfacher Ausführung die Zusammenschaltung einzelner Module die deutlich gemacht werden. Dieses ist eine Ausführung für eine dreiphasige Realisierung mit den Phasen 47, 48 und 49.
Die Gesamtverwaltung 1 steuert über die elektrische Verbindung 3 gleichzeitig alle vorhandenen Universalschaltungen als Module 51 bis 56 an. Innerhalb der Universalschaltungen 51 bis 56 sind über die elektrischen Verbindungen 28 bis 29 entsprechende Wicklungen 31, 35, 36, 37 angeschlossen. Bei einer Ausführung als Motor 90 würde an den Klemmen 6 und 7, die alle parallel geschaltet sind, die entsprechende Versorgungsspannung für den Motor 90 anliegen. Bei der Verwendung als Generator 90 wären die Verbindungen 6 und 7 als Ausgang anzusehen, so dass über die Schaltungen 51 bis 56 die Ausgangsspannung entsprechend einem Vierquadrantensteller mit variabler Frequenz und variabler Pulsweite umgewandelt wird. Auch bei der Verwendung von mehreren Modulen stellt die Gesamtverwaltung 1, in Verbindung mit dem Mikroprozessor, die Verbindung mit den Treibermodulen 19 sicher, so dass immer nur die richtigen Transistoren angeschaltet werden.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der 8 wird für einen Generatorbetrieb das Zusammenschalten mehrerer Schaltungen 51 bis 56 wiedergegeben. Hier ist es so, dass die Ansteuerung über die Gesamtverwaltung 1 an die Universalschaltungen 51 bis 56 durchgeführt werden und an den Ausgängen 6 und 7 der Leistungsmodule 27 die entsprechende Spannung eingestellt wird.
Die 9 zeigt in einer schematischen Darstellung ein mögliches Ausführungsbeispiel eines Generators oder Motors 90. Auf einer Achse 87, die als Hohlwelle 79 ausgeführt ist, ist über Lager 78 ein drehender Bereich, nämlich bestehend aus Magnethaltern 85, zu entnehmen. Die Magnethalter 85 sind an ihrem äußeren Bereich durch Verschraubungen 84 miteinander verbunden. Die Magnethalter 85 sind so ausgebildet, dass sie innerhalb von Taschen 77 eingebettete Permanentmagnete 76 der Art der Seltenen-Erden so platzieren, dass diese auch bei einer hohen Umfangsgeschwindigkeit ihre Position nicht verlassen können. Zwischen den Permanentmagneten 76 ist über jeweils seitliche Luftspalte 86 eine Wicklung 31, 35, 36, 37 platziert. Die Wicklung 31, 35, 36, 37 ist fest auf der Achse 87 verbunden und in diesem Ausführungsbeispiel befindet sich zwischen der Achse 87 und dem Wicklungsmodul 31, 35, 36, 37 ein Modul der Schaltung 51. Das Modul 51 wird über elektrische Anschlüsse 80 versorgt, die in diesem Ausführungsbeispiel der 9 durch die Hohlwelle 79 angeschlossen werden.
Wie durch die vorhergehende Beschreibung verdeutlicht wird, wird durch die Verwendung von austauschbaren Modulen auch bei dem Generator/Motor 90, wie den Magnethaltern 85 mit den Lagern 87 und den Wicklungen 31, 35, 36, 37 ein Generator/Motor 90 geschaffen, der von höchster Effizienz ist. Dabei drehen sich bei diesem Ausführungsbeispiel die Magnete 76 um die Achse 87. Dieses bedeutet, dass als wirksame Antriebskomponente eine Umfangsfläche 28, die sich auf der äußeren Fläche 10 der Magnethalter 85 findet, vorhanden ist. Über diese Umfangsfläche 88 kann eine Antriebsweise von unterschiedlichster Ausführungsart betrieben werden, so dass die Umfangsfläche 28 je nach Anwendungsart bei einem Motor 90 direkt zum Antrieb verwendet wird. Es ist jedoch auch möglich, entsprechend auf der Umfangsfläche 88 Verzahnungen oder Reibflächen oder dergleichen anzubringen. Bei einer Ausführung als Generator 90 würde auf der Umfangsfläche 88 eine Befestigung von entsprechenden Antriebsmitteln, die zur Erzeugung einer Drehbewegung befähigt sind, durchgeführt werden.

1: Gesamtverwaltung
2: Sensorikmodul
3: elektrische Verbindung
4: Prozessormodul
5: Netzteil
6: Leitung
7: Leitung
8: Versorgungsspannung
9: Versorgungsspannung
10: Versorgungsspannung
11: elektrische Verbindung
12: Geschwindigkeitsmodul
13: elektrische Verbindung
14: elektrische Verbindung
15: elektrische Verbindung
16: elektrische Verbindung
17: elektrische Verbindung
18: Fehlererkennungsmodul
19: Treibermodul
20: Spannungsüberwachungsmodul
21: elektrische Verbindung
22: elektrische Verbindung
23: Stormüberwachungsmodul
24: Shunt
25: elektrische Verbindung
26: elektrische Verbindung
27: Leistungsmodul
28: elektrische Verbindung
29: elektrische Verbindung
30: Thermischer Sensor
31: Wicklung
32: Temperaturüberwachungsmodul
33: elektrische Verbindung
34: elektrische Verbindung
35: Wicklung
36: Wicklung
37: Wicklung
38: Transistor
39: Transistor
40: Transistor
41: Transistor
42: Transistor
43: Transistor
44: Transistor
45: Transistor
46: erste Phase
47: zweite Phase
48: dritte Phase
49: elektrische Verbindung
50: elektrische Verbindung
51: Schaltungsmodul
52: Schaltungsmodul
53: Schaltungsmodul
54: Schaltungsmodul
55: Schaltungsmodul
56: Schaltungsmodul
57: Transistor
58: Transistor
59: Transistor
60: Transistor
61: Transistor
62: Transistor
63: Transistor
64: Transistor
65: Umfangsfläche
66: Transistor
67: Freilaufdiode
68: Freilaufdiode
69: Freilaufdiode
70: Freilaufdiode
71: Freilaufdiode
72: Freilaufdiode
73: Freilaufdiode
74: Freilaufdiode
75: Schnittstelle
76: Magnet
77: Taschen
78: Lager
79: Hohlwelle
80: elektrische Anschlüsse
81: Magnethalter
82: Magnethalter
83: Außenfläche
84: Verschraubung
85: Seitenfläche
86: Luftspalt
87: Achse
88: Freilaufdiode
90: Generator/Motor

Claims

Modulare elektronische Schaltung (51, 52, 53, 54, 55, 56) zur Erzeugung von elektrischer Energie in Verbindung mit einem bürstenlosen, elektronisch kommutierten Generator (90) oder zur Ansteuerung eines bürstenlosen, elektronisch kommutierten Motors (90), wobei die Schaltung (51, 52, 53, 54, 55, 56) eine übergeordnete programmierbare und austauschbare Gesamtverwaltung (1) beinhaltet, in der je nach Anwendungsfall verschiedene Programme gespeichert sind, und die elektrisch mit mindestens einem Prozessormodul (4) verbunden ist, wobei das Prozessormodul (4) mindestens über ein Treibermodul (19) mindestens ein Leistungsmodul (27) ansteuert, und dass das Leistungsmodul (27) elektrisch mit mindestens einer Wicklung (31, 35, 36, 37) des Generators (90) oder des Motors (90) verbunden ist, wobei das Leistungsmodul (27) als H-Brücke für jede Wicklung (31, 35, 36, 37) ausgebildet ist, und dass das Prozessormodul (4), das Treibermodul (19) und das Leistungsmodul (27) insgesamt oder teilweise austauschbar ist.
Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtverwaltung (1) und das Prozessormodul (4) separate, nicht flüchtige Speicher für unterschiedliche veränderbare und austauschbare Programme aufweisen.
Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtverwaltung (1) mehrere Prozessormodule (4) mit Treibermodulen (19) und Leistungsmodulen (27) verwalten kann.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessormodul (4) eine Schnittstelle (75), vorzugsweise eine Busschnittstelle, aufweist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessormodul (4) mit einem Temperaturüberwachungsmodul (32) mit den Wicklungen (31, 35, 36, 37) elektrisch verbunden ist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessormodul (4) mit einem Sensormodul (2) elektrisch verbunden ist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessormodul (4) mit einem Hardwarefehlererkennungsmodul (18) verbunden ist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessormodul (4) mit einem Geschwindigkeitsvorgabe- und Fahrtrichtungsvorgabemodul (12) elektrisch verbunden ist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fehlererkennung (18) mit einem Stromüberwachungsmodul (23) des Leistungsmoduls (27) und/oder einer Ausgangsspannungsüberwachung (20) und/oder mit dem Treibermodul (19) verbunden ist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperaturüberwachungsmodul (32) und das Sensormodul (2) und das Hardwarefehlererkennungsmodul (18) und das Stromüberwachungsmodul (23) Bestandteil des Prozessormoduls (4) sind.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsmodul (27) nach dem Prinzip der Puls-Weiten-Modulation arbeitet.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtverwaltung (1) ein Netzteil (5) für unterschiedliche Ausgangsspannungen der angeschlossenen Module (2, 4, 18, 19, 20, 23, 27, 32) aufweist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedem einzelnen Modul (2, 4, 18, 19, 20, 23, 27, 32) ein Netzteil (5) zugewiesen ist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsmodul (27) als Doppel-H-Brücke oder eine Dreifach-H-Brücke ausgebildet ist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Doppel-H-Brücke für die positive Halbwelle des Spannungsverlaufs Transistoren (39, 41, 43, 45) und für die negative Halbwelle des Spannungsverlaufs Transistoren (38, 40, 42, 44) aufweist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoren (38) bis (45) und (57) bis (64) als MOS-FET-Transistoren oder Silizium-Carbid-Transistoren ausgebildet sind.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Module austauschbar sind.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungen (51, 52, 53, 54, 55, 56) in dem Generator oder dem Motor (90) als austauschbare Module integriert sind.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator oder Motor (90) eine als flache Scheibe ausgebildete Wicklung aufweist, die vorzugsweise aus mehreren Teilwicklungen (31, 35, 36, 37) für mehrere Phasen (46, 47, 48) besteht.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die als flache Scheibe ausgebildete Wicklung (31, 35, 36, 37) mit Permanentmagneten (76) zusammenwirkt, die auf oder in Magnethaltern (81, 82) gehalten werden.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung (31, 35, 36, 37) aus verdrillten Litzen bestehen.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (76) vorzugsweise aus Seltenen-Erden bestehen.