JP2012522487A - 非常時運転特性を備えた電子的に整流される電気モータ - Google Patents

Abstract

本発明は、ステータと、殊に永久磁石から形成されているロータとを備えた、電子的に整流される電気モータに関する。電気モータは、ステータと接続されている制御ユニットを有し、制御ユニットは、ステータがロータを回動させる回転磁場を形成するようステータを駆動制御する。電気モータは、半導体スイッチを備えた電力出力段を有し、且つ、殊に欠陥によって低抵抗で接続されているか短絡している、電力出力段の半導体スイッチに依存して、回転磁界を形成するためにステータを駆動制御し、該駆動制御により、ロータが１回転する間にロータから機械的な出力が供給されるか、または、欠陥に起因する電気モータの制動トルクは、半導体スイッチが低抵抗で接続されているか短絡している動作状態において、低減されているか、完全に補償されている。

Description

本発明は、電子的に整流される電気モータに関する。電気モータは、ステータと、殊に永久磁石から形成されているロータとを有している。また電気モータは、ステータと接続されている制御ユニットも有している。制御ユニットはステータを駆動制御するよう構成されており、この駆動制御によって、ステータはロータを回動させるための回転磁場を形成することができる。

発明の概要
本発明によれば、冒頭で述べたような電気モータの制御ユニットは、半導体スイッチを備えた電力出力段を有している。欠陥によって低抵抗で接続されているか、または短絡している、電力出力段の半導体スイッチに依存して、回転磁場を形成するためにステータを制御ユニットは駆動制御する。この駆動制御により、ロータはその回転にわたり機械的な出力を提供することができるか、または、欠陥に起因する電気モータの制動トルクは、半導体スイッチが低抵抗で接続されているか、短絡している動作状態において低減されているか、または完全に補償されている。

これによって有利には、電気モータは非常時運転特性を維持するので、電気モータは電力出力段の半導体スイッチに欠陥がある場合にもトルク、つまり機械的な出力をさらに提供することができるか、または、少なくとも僅かな制動トルクしか形成しないか、それどころか制動トルクを形成しないので、その結果、自動車のパワーステアリングと協働する場合、欠陥時の操舵には少なくとも、パワーステアリングを用いない場合よりも多くの操舵力は必要とされない。

例えば、電気モータは相互に対向する作用方向のトルクを出力することができる。作用方向は例えば回転方向（正のトルク方向）で良く、これに対向する作用方向は回転方向とは反対の方向（負のトルク方向）で良い。

半導体スイッチとして、例えば電界効果トランジスタ、殊にＭＯＳ型電界効果トランジスタまたは絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）が考えられる。別の実施形態においては、半導体スイッチをサイリスタまたはトライアックとして形成することもできる。

前述の電気モータは、電力出力段、つまりはステータの相応の駆動制御によって、有利には修正された駆動制御によって、半導体スイッチの欠陥のあるスイッチング区間を有利には補償することができる。

電気モータの有利な実施形態においては、ステータを駆動制御し、この駆動制御によりロータが、欠陥のある半導体スイッチに対応する、ロータの回転の欠陥角度領域を回転エネルギの供給によって越えることができるように、制御ユニットは構成されている。半導体スイッチに欠陥がある場合のこの種の駆動制御によって、事前に供給された回転エネルギでもって、欠陥角度領域を越えるようにロータを回転させることができる。欠陥角度領域は例えば、半導体スイッチの短絡に起因して、欠陥のある半導体スイッチに対応付けられているステータコイルが、ステータコイルに流れる電流方向に対応する磁場を永続的に形成することによって特徴付けられている。この影響によって、欠陥角度領域においてはステータをもはやステータコイルによっては十分に制御することができない。

制御ユニットは有利には、殊にロータの磁極が欠陥角度領域に進入する前に、十分な回転エネルギをロータにおいて形成することができる。つまり有利には、欠陥角度領域を越えるためのエネルギ蓄積部としてロータを利用することができる。

有利には、電気モータの制御ユニットは、相互に異なる駆動制御パターン用のメモリと接続されているか、メモリを有しており、低抵抗の接続または短絡に依存して駆動制御パターンを選択し、その選択された駆動制御パターンを用いてステータを駆動制御するよう構成されている。

相互に異なる駆動制御パターンの記憶および蓄積によって、正常に機能する半導体スイッチを用いる動作用の駆動制御パターンを蓄積することができ、また正常に機能する半導体スイッチを用いる動作中に、その種の駆動制御パターンをステータの駆動制御に使用することができる。

有利には、それぞれの駆動制御パターンが時間的に連続するスイッチングパターンによって形成されており、このスイッチングパターンはそれぞれステータのステータコイルの電圧状態および／または通電状態を表す。さらに有利には、各スイッチングパターンが符号語によって形成されている。符号語は各ステータコイルに関して１ビットを有しており、このビットはステータコイルの接続状態、したがってステータコイルに印加される電流を表す。符号語ないし接続状態または駆動制御パターンをそれぞれデータセットによって表すことができる。別の実施形態においては、駆動制御パターンが少なくとも１つのスイッチングパターンまたはただ１つのスイッチングパターンを有している。各スイッチングパターンはロータの回転の所定の回転角に対応付けられている。このために、各符号語は少なくとも２つ、３つまたは複数の付加的な回転位置ビットを有することができ、それらの回転位置ビットは、スイッチングパターンに対応する電圧をステータコイルに印加することができるロータの回転位置を符号化する。

制御ユニットを用いて半導体スイッチ、例えばＭＯＳ型電界効果トランジスタの欠陥が検出されると、制御ユニットは欠陥に対応する駆動制御パターンをメモリから読み出し、事前に計画された駆動制御パターンを用いてステータを駆動制御する。つまり、電気モータを有利にはさらに駆動させることができる。半導体スイッチに欠陥がある間の駆動制御パターンを用いた駆動時に、さらにトルクを出力することができ、殊に少なくとも僅かなトルクを出力することができ、これに対し、リレーによってステータが電力出力段から分離される電気モータではトルクをもはや出力することができない。つまり例えば、制御ユニットによって形成される非常時運転特性が維持されている間は、ロータがその回転にわたり一定の速度で回転しないか、一定のトルクを出力しないことを甘受することができる。

電気モータは、例えば有利には、自動車のパワーステアリングの電気モータで良い。つまり、電気モータは有利には、電力出力段の半導体スイッチに欠陥がある場合に、自動車のさらなる操舵を非常時運転特性によってアシストするか、または、車両を操舵可能な状態に維持するように、モータ軸への（殊に欠陥のある半導体スイッチに起因する）制動トルクを少なくとも低減することができる。

操舵をアシストする際に、電気モータは例えば回転方向の作用方向を有するトルク（例えば正のトルクを有するトルク）を駆動制御することができる。

例えば、パワーステアリングに作用する、逆の回転方向（操舵を容易にする回転方向とは反対の回転方向）の制動トルクを形成するために電気モータが駆動制御され、したがって、電気モータが回転方向とは反対方向の作用方向を有する負のトルクを形成することが考えられる。殊に相応に構成されているパワーステアリングでは、負の作用方向にトルクが作用する場合、自動車の操舵が困難になることも考えられる。操舵を重くすることは、例えばアシスト作用を抑制するため、またはそのように操舵を重くすることが必要となる操舵状況に応じて適用することも考えられる。

制御ユニットは、ステータの少なくとも１つのステータコイルにおいて降下する電圧に依存して、欠陥、殊に半導体スイッチの短絡を検出するよう構成されている。

別の実施形態においては、スター結線またはデルタ結線で接続されているステータの中性点電圧または相電圧に依存して、半導体スイッチの欠陥を検出するよう制御ユニットは構成されている。さらに有利には、各半導体スイッチに関して、欠陥のある半導体スイッチに対応する欠陥駆動制御パターンを蓄積するよう制御ユニットは構成されている。これによって、制御ユニットは駆動制御パターンに対応する制御信号を迅速に形成し、それらの制御信号を用いて電力出力段を駆動制御することができる。

有利な実施形態においては、ロータの回転方向において欠陥角度領域に続く角度領域において、ロータが欠陥角度領域から離脱することができるように、低抵抗で接続されていないか、または短絡していない半導体スイッチを用いてステータを駆動制御するように制御ユニットは構成されている。これによって、有利には、電気モータのロックを回避することができる。電気モータがロックされると、ロータが例えば、欠陥角度領域において恒常的に形成される磁場によって、欠陥角度領域内に留まり、したがって回転方向においてさらに回転しないことも考えられる。低抵抗で接続されていない半導体スイッチは、欠陥のない、すなわち正常に動作する半導体スイッチである。

有利には、ステータコイルを用いて、欠陥角度領域に続く、次に考えられる電圧ベクトルを形成し、この次に考えられる電圧ベクトルを用いてロータを欠陥角度領域から（殊に回転方向に回転させて）離脱させるように制御ユニットは構成されている。次に考えられる電圧ベクトルを、例えば（通常動作に対応する駆動制御パターンによって行われる）電気モータの通常動作中に、ロータの回転方向において欠陥角度領域からさらに遠ざけることができる。つまりそのような次に考えられる電圧ベクトルは、半導体スイッチに欠陥がある場合は次に考えられる電圧ベクトルを表すことはできない。つまり例えば、通常動作のために設けられている駆動制御パターンの場合には、ロータを回転させるために次に予定されている電圧ベクトルが、ロータをさらに安全に欠陥角度領域から遠ざけるためには、欠陥角度領域に続く角度領域においてトルクを形成するためにはもはや十分ではない。

電気モータのステータは例えば少なくとも３つ、またはちょうど３つのステータコイルを有している。任意の数のステータコイルを備えたステータも考えられる。

有利には、電気モータは中間回路コンデンサを有し、この中間回路コンデンサは電力出力段、殊に電力出力段の半導体スイッチと少なくとも直接的に接続されており、電気モータは制御可能に構成されている分離スイッチ、例えばリレーまたは半導体スイッチを有し、この分離スイッチのスイッチング区間は中間回路コンデンサを電力出力段と接続し、分離スイッチの制御端子は制御ユニットと接続されており、この制御ユニットは、中間回路コンデンサの欠陥に依存して、殊に欠陥によって低抵抗で相互に接続されているか、短絡している中間回路コンデンサの電極に依存して、分離スイッチのスイッチング区間を分離するための制御信号を形成し、この制御信号を分離スイッチに送信するよう構成されている。

さらに本発明は、ステータおよびロータを有する、電子的に整流される電気モータを用いて、回転運動を生じさせるための方法に関する。本発明による方法においては、ステータと接続されている複数の半導体スイッチの駆動制御によってロータを回動させるための回転磁場が形成される。さらに本発明による方法においては、殊に欠陥によって低抵抗で接続されているか、または短絡している半導体スイッチに依存して、回転磁場が以下のように形成される。すなわち、ロータが回転全体にわたって機械的な出力を供給することができるか、または、欠陥に起因する電気モータの制動トルクは、半導体スイッチが低抵抗で接続されているか、短絡している動作状態において、低減されているか、または完全に補償されているように回転磁場が形成される。

本発明による方法の有利な実施形態においては、ロータが、欠陥のある半導体スイッチに対応する、ロータの回転の欠陥角度領域を回転エネルギの供給によって越えることができるようにステータが駆動制御される。

有利には、前述の方法において、欠陥の無い半導体スイッチを用いる動作用の駆動制御パターン、また欠陥のある少なくとも１つの半導体スイッチ、または欠陥のあるただ１つの半導体スイッチのための少なくとも１つの駆動制御パターンが蓄積される。さらに、低抵抗の接続または短絡に依存して、欠陥のある半導体スイッチに対応する駆動制御パターンが選択され、ステータがその選択された駆動制御パターンを用いて駆動制御される。

駆動制御パターンは有利には伝達関数で表すことができる。伝達関数は例えば、（回転方向にわたり）トルクを入力パラメータとして表すことができ、また各ステータコイルに関する制御電圧を出力パラメータとして表すことができる。例えば、場合によっては欠陥のある各半導体スイッチ、殊にＭＯＳ型電界効果トランジスタに関して伝達関数を蓄積することができる。伝達関数を例えばステータ座標系、殊にｕ−ｖ−ｗ座標系、または、ロータ座標系、殊にｄ−ｑ座標系に関して蓄積することができる。

有利には、各半導体スイッチに対して、欠陥のある半導体スイッチ用の駆動制御パターンが蓄積される。

本発明による方法の有利な実施形態においては、低抵抗の接続または短絡に依存して、欠陥のある半導体スイッチに対応する駆動制御パターンが形成され、ステータがその欠陥のある半導体スイッチに関して形成された駆動制御パターンを用いて駆動制御される。

殊に、欠陥の種類に応じて駆動制御パターンを形成することによって、有利にはin-vivo（すなわち、各種の条件が人為的にコントロールされていない条件で）で形成することによって、有利には少ない数の駆動制御パターンを蓄積するだけで済む。例えば、欠陥駆動制御パターンを形成する際に、欠陥のある半導体スイッチに対応する位相シフトを、形成された駆動制御パターンにおいて考慮することができる。これによって、例えば有利には、（後の時点において欠陥を有する可能性がある）複数の半導体スイッチの各々に関して、同一の駆動制御パターンを、欠陥のある半導体スイッチに関してそれぞれ適合された駆動制御パターンを形成するための始動ベースとして蓄積することができる。

以下では本発明を図面および別の実施例に基づき詳細に説明する。

電子的に整流される電気モータおよび電気モータを駆動させるための方法の実施例の概略図を示す。電気モータは電力出力段および制御ユニットを有し、この制御ユニットは、欠陥のある出力段のために構成されている駆動制御パターンを用いて電力出力段を駆動制御するように構成されており、この駆動制御により、電力出力段の出力側に接続されている、電気モータのステータは電気モータのロータを回動させるための回転磁場を形成することができる。 図１に示した電力出力段を備えた電気モータのトルク経過に関する実施例を概略的に示す。電力出力段のトランジスタは、殊に欠陥によって低抵抗に接続されているか、短絡している。 ３つのステータコイルを備えた、電子的に整流される電気モータのロータの回転が示されている概略的なグラフを示す。 中間回路コンデンサと、制御可能に構成されている遮断器とを備えた、電子的に整流される電気モータのための回路装置を示す。遮断器は、中間回路コンデンサの故障時に、電気モータの電力出力段を中間回路コンデンサから分離することができる。

図１は、電子的に整流される電気モータ１を備えた装置２を概略的に示す。電子的に整流される電気モータ１はステータ３を有している。ステータ３はステータコイル５とステータコイル７とステータコイル９とを有している。電気モータ１はロータ１０ならびにホールセンサ１７も有している。ホールセンサ１７は、このホールセンサ１７を用いてロータ１０のロータ回転数および／またはロータ位置を検出できるように配置されている。またホールセンサ１７は、ロータ１０によって形成された磁場に依存して、相応のホール電圧を形成し、このホール電圧を出力するように構成されている。

電気モータ１は電力出力段１２も有し、この電力出力段１２は出力側においてステータ、ひいてはステータのステータコイル５，７および９と接続されている。さらに電力出力段１２は入力側において、コネクション２４を介して、ゲートドライバ１４と接続されている。ゲートドライバ１４は双方向コネクション２２を介してインタフェース１８と接続されている。インタフェース１８は双方向コネクション２０を介して、例えばマイクロコントローラまたはマイクロプロセッサとして構成されている、処理ユニット１６と接続されている。

処理ユニット１６、また付加的にゲートドライバ１４は、前述の制御ユニットを形成することができる。

処理ユニット１６は双方向コネクション２５を介してメモリ１５と接続されている。メモリ１５は、それぞれが駆動制御パターンを表す複数のデータセットを蓄積して保持するよう構成されている。駆動制御パターン７０および７１が例示的に示されている。双方向コネクション２０，２２および２５ならびにコネクション２４それぞれを、例えばデータバスによって、殊にフィールドバスとして構成することができるが、それらのコネクションはデータバスの構成要素であってもよい。電力出力段１２は複数の半導体スイッチを有し、この実施例においては６個のＭＯＳ型電界効果トランジスタ、すなわち、トランジスタ４０と、トランジスタ４４と、トランジスタ４８と、トランジスタ４２と、トランジスタ４６と、トランジスタ４９とを有している。それらのトランジスタは一緒に１つの三相ブリッジにおいて接続されている。前述のトランジスタのゲート端子はそれぞれコネクション２４を介してゲートドライバ１４と接続されている。ゲートドライバ１４は、コネクション２４を介してトランジスタ４０，４２，４４，４６，４８および４９のゲート端子を駆動制御するように構成されている。トランジスタのソース端子とトランジスタのドレイン端子トランジスタとを結ぶトランジスタのスイッチング区間にはフライホイールダイオードがそれぞれ並列に接続されており、これによりトランジスタは過電圧から保護される。

トランジスタ４０は、接続ノード５２を介してトランジスタ４２のドレイン端子と接続されているソース端子を有している。トランジスタ４４のソース端子は、接続ノード５４を介して、トランジスタ４６のドレイン端子と接続されている。トランジスタ４８のソース端子は、接続ノード５６を介してトランジスタ４９のドレイン端子と接続されている。トランジスタ４２，４６および４９のソース端子はそれぞれ接続ノード６９と接続されている。接続ノード６９は抵抗３４を介してアース端子３６と接続されている。抵抗３４、殊にシャント抵抗は低抵抗に形成されており、かつ、電流を検出するために形成されている。

接続ノード５２は、接続線７２を介して、ステータコイル７の第１の端子と接続されている。接続ノード５４は、接続線７４を介して、ステータコイル５の第１の端子と接続されている。接続ノード５６は、接続線７６を介して、ステータコイル９の第１の端子と接続されている。ステータコイル５，７および９の第２の端子は、それぞれ共通の中性点を介して相互に接続されている。中性点は接続線７８を介してインタフェース１８と接続されている。電力出力段１２は出力側において、殊にマルチチャネルのコネクション２６を介して、ゲートドライバ１４と接続されている。マルチチャネルのコネクション２６は接続ノード５２，５４および５６と電力出力段１４とを接続する。つまり電力出力段１４は、コネクション２６を介して接続ノード５２，５４および５６の電位と、対応するステータコイルの電位を受け取る。

トランジスタ４０，４４および４８のドレイン端子はそれぞれ接続ノード６８と接続されている。接続ノード６８は、接続線６６を介して、自動車の搭載電源網５０と接続されている。搭載電源網５０はアース端子３６と接続されており、また、接続線６６を介して電力出力段１２に電気的なエネルギを供給するよう構成されている。破線によってリレー２８も示唆されており、このリレー２８は、殊に接続線６２を介して受信する分離信号に依存して、接続ノード５２，５４および５６をステータ３から導電的に分離するよう構成されている。リレー２８は、破線によって示唆されている通り、省略することも可能である。リレー２８は入力側において接続線６２を介してインタフェース１８と接続されており、またインタフェース１８から分離信号を受信することができる。

図１における電気モータ１は装置２の構成要素である。装置２は電気モータ１と、搭載電源網５０と、パワーステアリング３２とを有している。パワーステアリング３２はモータ軸３０を介してロータ１０と回動可能に接続されている。ロータ１０はモータ軸３０を介して、トルク３１をパワーステアリング３２に供給することができる。

装置２の機能を以下において説明する。

処理ユニット１６は、接続部２５を介して駆動制御パターン７０をメモリ１５から読み出すことができる。駆動制御パターン７０は例えば、電気モータ１の通常動作のための駆動制御パターンを表す。電気モータ１の通常動作時には、例えば電力出力段１２のトランジスタのいずれにも欠陥はない。処理ユニット１６は接続部２０およびインタフェース１８を介して、またさらには接続部２２を介してゲートドライバ１４を駆動制御する。この駆動制御は、ゲートドライバ１４が電力出力段１２のトランジスタを制御するための制御信号を形成し、電力出力段１２が回転磁場を形成するためにステータ３、したがってステータ３におけるステータコイル５，７および９を駆動制御するように行われる。回転磁場を用いて、ロータ１０をその周囲に沿って回動させることができる。ゲートドライバ１４は電力出力段１２のトランジスタを制御するための制御信号を、接続部２４を介して電力出力段１２、したがって電力出力段１２におけるトランジスタのゲート端子に送信することができる。

ロータ１０の回転数はホールセンサ１７を用いて検出することができ、このホールセンサ１７は相応のホール信号を形成し、そのホール信号を接続線６０を介してインタフェース１８に送信することができる。インタフェース１８は接続部２０を介してホール信号を処理ユニット１６に送信することができる。処理ユニット１６はホール信号を受信し、モータ軸３０を介してパワーステアリング３２に供給することができるロータ１０のトルクが所定のトルクに相当するように制御信号（この制御信号は同時に駆動制御パターンも表す）を形成または変更することができる。処理ユニットはこのために制御入力側１９を介して、所定のトルクを表す制御信号を受信することができる。

例えばトランジスタ４９に欠陥がある場合、このトランジスタ４９のソース端子をトランジスタ４９のドレイン端子と低抵抗で接続することができる。低抵抗の接続部または短絡を表す接続部３８も示されている。つまり、低抵抗の接続部３８はトランジスタ４９のスイッチング区間をブリッジし、また欠陥のあるトランジスタ４９を表す。

処理ユニット１６は低抵抗の接続部３８を抵抗３４を介して検出することができ、殊に抵抗３４において降下する電圧を介して検出することができる。処理ユニット１６はこの電圧を、接続ノード６９を介して、さらには（部分的に破線で示されている）接続部６４、電力出力段１４、接続部２２、インタフェース１８および接続部２０を介して受信することができる。

付加的に、もしくは抵抗３４に依存せずに、処理ユニット１６は低抵抗の接続部３８を、例えば、ステータ３の中性点、接続線７８、インタフェース１８および接続部２０を介して検出することができる。

付加的に、もしくは抵抗３４または中性点電位に依存せずに、処理ユニットは低抵抗の接続部３８を、接続ノード５２，５４または５６における電位もしくは全ての接続ノードにおける電位を介して検出することができる。接続ノードの電位はステータコイルのそれぞれの電位に対応する。

処理ユニット１６は、さらに低抵抗の接続部３８に依存して、トランジスタ４９の欠陥を検出することができ、さらにはこの欠陥に依存して、相応の駆動制御パターン７１をメモリ１５から読み出し、ゲートドライバ１４および電力出力段１２を駆動制御するための相応の制御信号を形成することができる。そのようにして形成された回転磁場を用いて、トランジスタ４９の欠陥を少なくとも部分的に補償することができ、したがって少なくとも部分的に回復することができる。回転磁場は、欠陥のあるトランジスタ４９に相当する駆動制御パターン７１によって表される。

処理ユニット１６は例えば、複数のトランジスタに欠陥があり、欠陥を少なくとも部分的に補償する相応の駆動制御パターンを用いても、正のトルク３１を形成するための回転磁場をステータ３によってもはや形成することができない場合、リレー２８を用いてステータ３を電力出力段１２から分離することができる。このために処理ユニット１６は相応の分離信号を形成し、この分離信号を接続部２０、インタフェース１８および接続線６２を介してリレー２８に送信することができる。

図２は、グラフ８０に関する実施例を示す。グラフ８０は横軸８２および縦軸８４を有する。

横軸８２は、図１に示したロータ１０のロータ回転角を表す。

グラフ８０は、図１に示したロータ１０の回転数を表す回転数曲線８６と、横軸８２にプロットされているロータ回転角の関係を示す。

グラフ８０には曲線８７および曲線８８も示されている。曲線８７は、図１のロータ１０によって出力することができる相対トルクを表す。相対トルクは、ロータ１０によって出力することができる最大トルクに関する、ロータのトルクを表す。つまり、最大相対トルクは無次元の値＝１を取る。

さらにグラフ８０には区間９３、区間９４、区間９５、区間９６および区間９７も示されている。区間９３は０°から１２０°のロータ回転角の領域に対応し、区間９４は１２０°から２１０°のロータ回転角の領域に対応し、区間９５は２１０°から２７０°のロータ回転角の領域に対応し、区間９６は２７０°から３６０°のロータ回転角の領域に対応し、区間９７は０°よりも大きいさらなるロータの回転に対応する。

曲線８７は区間９３においてロータ１０の最大トルクを表し、ロータ１０のトルクは領域９４において顕著に低下していく。

欠陥角度領域に相当する領域９５においては、ロータ１０はトルクを出力することはできない。領域９５によって表されている欠陥角度領域には領域９６が続き、この領域９６においては、曲線８８によって表されているように、トルクを再び出力することができる。ロータの回転角が大きくなるにつれ、出力することができるトルクも大きくなる。

グラフ８０には０°から２１０°の間のロータ回転角を表す区間９０も示されている。区間９０においては、ロータ１０によって出力されるトルク３１を依然として制御することができる。

ロータ回転角が２１０°から３６０°の間の範囲に延在する領域９１においては、ロータは、欠陥のあるトランジスタによって永続的に電流が供給されるステータコイルによって形成される磁場の影響を受ける。領域９１においては、殆ど力を加えることなく、または全く力を加えることなく、ロータをさらに順方向に回転させることができるか、逆方向に回転を反転させることができる。２７０°のロータ回転角からさらに大きいロータ回転角になると、ロータを領域９６において、次に考えられる形成可能な電圧ベクトルを用いて領域９５から離脱させることができる。領域９３および／または領域９４においては、トランジスタの欠陥時に形成される駆動制御パターンを用いることにより、領域９５、すなわち欠陥角度領域を越えるようにロータ１０を移動させるには十分な回転エネルギをロータ１０に供給することができる。出力可能なトルクを表す縦軸８５も示されている。

図３は、図１において既に示したロータ１０のロータ回転角がステータコイル５，７および９に関して示されているグラフを示す。グラフには磁気ベクトル１０６が示されており、この磁気ベクトル１０６は永久磁石から形成されているロータ１０によって形成される磁場の配向を表す。グラフには、ロータ回転角の０°の位置を表す軸１２０と、この軸１２０に直交するように延在し、且つ、９０°の位置を表す軸１２２と、軸１２０と同軸に延在し、且つ、ロータ回転角の１８０°の位置を表す軸１２８と、ロータ回転角の２７０°の位置を表す軸１３２とが示されている。

さらに図３には、図１において既に示したステータコイル５、７および９が示されている。ステータコイル５は、ロータ回転角の３３０°の位置を表す軸１３４上に存在している。ステータコイル７は、ロータ回転角の９０°の位置を表す軸１２２上に存在している。ステータコイル９は、ロータ回転角の２１０°の位置を表す軸１３０上に存在している。さらには軸１２４および軸１２６が示されており、軸１２４は１２０°の位置を表しており、また軸１２６は１５０°の位置を表している。

軸１２０と軸１２４との間に延在している角度領域１５０も示されている。角度領域１５０は、図２に示した領域９３に相当する。軸１２４と軸１３０との間には角度領域１５２が延在しており、この角度領域１５２は図２に示した領域９４に相当する。ロータ１０は角度領域１５２において依然としてトルクを出力することができるが、このトルクはロータ回転角に沿って軸１３０に向かうに連れ減少する。ロータの回転は回転を示す矢印１４０によって表されている。軸１３０と軸１３２との間には角度領域１５４が延在しており、この角度領域１５４は図２における欠陥角度領域９５に相当する。角度領域１５４においては、ロータ１０はトルクを出力しない、もしくは極僅かなトルクしか出力しない。軸１３２と軸１２０との間には領域１５６が延在しており、この領域１５６においては、回転角が大きくなるにつれ、ロータ１０もより大きいトルクを出力することができる。さらにこのグラフには電圧ベクトル１０８，１１０および１１２も示されている。

軸１２０，１２２，１２４，１４６，１２８，１３０，１３２および１３４はロータの回転磁場に関連付けられている。電圧ベクトル１０８はステータコイル７の相電圧に対応し、電圧ベクトル１１０はステータコイル５の相電圧に対応し、電圧ベクトル１１２はステータコイル９の相電圧９に対応する。電圧ベクトル１０８，１１０および１１２を用いることにより、例えば図１に示した処理ユニット１６は、ロータ１０の回動を制御することができる。

図４は、電子的に整流される電気モータ１６０の実施例を示す。電気モータ１６０はステータ１６２を有している。ステータ１６２は５つのステータコイル、すなわちステータコイル１７０、ステータコイル１７２、ステータコイル１７４、ステータコイル１７６およびステータコイル１７８を有している。ステータ１６２は、電流が供給される状態において、電気モータ１６０のロータ１６３を回動させるための回転磁場を形成するよう構成されている。ロータ１６３は例えば永久磁石から形成されている。

電気モータ１６０は電力出力段１６４を有している。電力出力段１６４の出力側は電流センサ１８０を介してステータ１６２と接続されている。電力出力段１６４は例えば５つのトランジスタハーフブリッジを有し、各ハーフブリッジの出力側は電流センサ１８０を介して、ステータ１６２のステータコイルと接続されている。電力出力段１６４の出力側は接続線１９５を介してステータコイル１７４と接続されている。さらに電力出力段１６４の出力側は、接続線１９６を介してステータコイル１７２と接続されており、接続線１９７を介してステータコイル１７０と接続されており、接続線１９８を介してステータコイル１７８と接続されており、また接続線１９９を介してステータコイル１７６と接続されている。電力出力段１６４は、ロータ１６３を回動させる回転磁場を形成するためにステータ１６２、殊にステータ１６２のステータコイルに電流を供給するよう構成されている。このために、電力出力段１６４の入力側は、電圧源１８６、殊に直流電圧源を有する中間回路と、電圧源１８６に並列に接続されている中間回路コンデンサ１８４とに接続されている。

電圧源１８６の一方の端子は接続線１８５を介して電力出力段１６４と接続されている。この実施例において接続線１８５はアース線である。電力出力段１６４は遮断器１８２を介して、電圧源１８６の他方の端子と接続されており、したがって中間回路コンデンサ１８４の他方の端子とも接続されている。遮断器１８２は例えばリレーまたは半導体スイッチである。半導体スイッチは例えばスイッチングトランジスタ、殊に電界効果トランジスタまたはサイリスタである。遮断器１８２は制御入力側１８７を有し、この制御入力側１８７は接続線１９４を介して制御ユニット１６８と接続されている。

制御ユニット１６８は電気モータ１６０の入力側１９２と接続されており、また、例えばステータ１６２のステータコイル電流の目標値を表す制御信号に依存して、ステータ１６２がロータ１６３を回動させるための回転磁場を形成できるように、ゲートドライバ１６６を介して電力出力段１６４を駆動制御する。

制御ユニット１６８の出力側は接続部１９０を介してゲートドライバ１６６と接続されている。ゲートドライバ１６６は接続部１８８を介して電力出力段１６４と接続されている。また制御ユニット１６８の入力側は接続部１８１を介して電流センサ１８０と接続されており、さらには接続部１８１を介して電流センサ１８０から複数の電流信号を受信する。それらの電流信号はロータ１６２のステータコイルのうちの１つのステータコイル電流をそれぞれ表している。このために電流センサ１８０はステータ１６２の各ステータコイルに関してシャント抵抗を有している。電気モータ１６０の機能を以下において説明する。

制御ユニット１６８は、入力側１９２において受信した制御信号に依存して、ロータ１６３を回動させるための制御信号を形成し、この制御信号を接続部１９０を介してゲートドライバ１６６に送信するよう構成されている。制御信号を例えば、バイナリのコーディングに従いその都度コーディングすることができ、バイナリのコーディングは各ステータコイルに対して１ビットを有する。ロータ１６３を回動させるために制御ユニット１６８によって形成される制御信号は、例えば、各ステータコイルに対して１ビットをそれぞれ有している、時間的に連続する符号語を有することができる。この実施例において、符号語は５ビット語であり、またそれぞれ５ビットを有する。ビット語の各ビットはステータ１６２の結線状態、殊に電力出力段のスイッチング状態、したがってステータ１６２の各ステータコイルの電圧状態および／または通電状態（以下ではスイッチングパターンと称する）を表す。このために制御ユニット１６８は接続線１８９を介してメモリ２００と接続されており、このメモリ２００には、相互に異なるスイッチングパターンを表すデータセットが格納されている。時間的に連続するスイッチングパターンは、前述の駆動制御パターンのうちの１つも同時に形成している。

つまり、例えば１つのビット語は、ステータコイル１７０がアクティブにされるが、残りのステータコイルはデアクティブにされるべき時点に関して、ステータコイル１７０については論理値「１」を有するビットを有することができ、また残りのステータコイルについては、論理値「０」を有するビットをそれぞれ有することができる。

制御ユニット１６８はステータ１６２への電流供給のために、例えば時間的に連続してそれぞれ１つのビット語を表す制御信号を形成することができ、各符号語はロータ１６２のスイッチングパターンを表す。

ゲートドライバ１６６は、入力側において接続部１９０を介して受信した制御信号に依存して、この実施例においては入力側において受信した符号語に依存して、制御信号、殊に符号語に相当するスイッチングパターンを形成するために、電力出力段１６４、殊に電力出力段１６４のトランジスタハーフブリッジのゲート端子を駆動制御する。

電力出力段１６４はさらに、ゲートドライバ１６６によって形成された制御信号に依存して、スイッチングパターンに応じて、ゲートドライバ１６６によって受信された制御信号に対応する電圧をステータ１６２に印加し、したがってステータ１６２に電流を流すことができる。

例えば、故障時に、すなわち電力出力段１６４のトランジスタハーフブリッジの半導体スイッチに欠陥がある場合、殊に、半導体スイッチのスイッチング区間が短絡しているか、低抵抗で接続されている場合、ステータ１６２の相応のステータコイルは常に電圧源１８６の相応の電位と接続され、したがってステータ１６２には常に電流が流される。電流センサ１８０はトランジスタハーフブリッジの欠陥を表す電流信号を、接続部１８１を介して制御ユニット１６８に送信することができる。制御ユニット１６８は欠陥を表す電流信号を検出し、また、欠陥を表す電流信号に依存して、殊に図２に関連させて前述したように、時間的に連続する、スイッチングパターンを表すそれぞれ１つの制御信号を形成することができる。ステータ１６２はトランジスタハーフブリッジに欠陥があるにもかかわらず、ロータ１６３に作用する制動トルクが、欠陥のない電力出力段１６４のために設けられている、時間的に連続するスイッチングパターンに比べて低減されているように回転磁場を形成することができる。例えば、制御ユニット１６８は、制動トルクが低減されているように、または制動トルクが消失しているように、または図１における電気モータに関連させて既に説明したように、電気モータ１６０を用いて正の駆動トルクを形成できるように、それぞれ１つのスイッチングパターンを表す、時間的に連続する制御信号を形成することができる。

別の故障ケースは例えば欠陥のある中間回路コンデンサによって生じる可能性がある。すなわち、電気モータ１６０が動作している間に中間回路コンデンサ１８４に欠陥が生じた場合、殊に中間回路コンデンサ１８４の電極が低抵抗で相互に接続されるか、相互に短絡すると、ステータ１６２には電力出力段１６４からさらに電流が流れ、殊に、欠陥のない場合に中間回路コンデンサ１８４に流れる電流よりも小さい電流が流れる。少なくとも１つのステータコイル電流の変化を電流センサ１８０によって検出することができ、また電流センサ１８０からは相応の電流信号を接続部１８１を介して制御ユニット１６８に送信することができる。電流信号は例えば、電流センサを形成するシャント抵抗において降下する電圧である。制御ユニット１６８は、電流低下を表す電流信号に依存して、スイッチ１８２を分離するための制御信号を形成し、この制御信号を接続部１９４を介してスイッチ１８２の制御端子１８７に送信するよう構成されている。分離スイッチ１８２は、入力側１８７において受信した制御信号に依存して、電力出力段１６４を電圧源１８６から分離し、また欠陥のある中間回路コンデンサ１８４からも分離する。これに基づき、電力出力段１６４は給電電圧、この実施例においては電圧源１６８から分離されていることから、電気モータ１６０のステータ１６２に電流をもはや流すことができなくなるので、ステータ１６２がロータ１６３を用いて制動トルクを形成することももはや行われない。

この場合、電気モータ１６０と接続されている自動車のパワーステアリングに、電気モータ１６０の欠陥のあるスイッチングトランジスタからの付加的な制動トルクが加えられることもなくなる。パワーステアリングを有している車両を、パワーステアリングを有していない車両の操舵に相当する操舵力でもって操舵することができる。

Claims (11)

1. ステータ（３，１６２）と、殊に永久磁石から形成されているロータ（１０，１６３）とを備えた、電子的に整流される電気モータ（１，１６０）であって、
   前記電気モータ（１，１６０）は、ステータ（３，１６２）と接続されている制御ユニット（１４，１６，１６８）を有し、該制御ユニットは、前記ステータ（３，１６２）が前記ロータ（１０，１６３）を回動させる回転磁場を形成するよう前記ステータ（３，１６２）を駆動制御するものである、電子的に整流される電気モータ（１，１６０）において、
   前記電気モータ（１，１６０）は、複数の半導体スイッチ（４０，４２，４４，４６，４８，４９）を備えた電力出力段（１２，１６４）を有し、且つ、殊に欠陥によって低抵抗で接続されているか短絡している、前記電力出力段（１２）の半導体スイッチ（４９）に依存して、前記回転磁界を形成するために前記ステータ（３）を駆動制御するよう構成されており、
   該駆動制御により、前記ロータが１回転（１５０，１５２，１５４，１５６）する間に該ロータから機械的な出力（３１）が供給されるか、または、前記欠陥に起因する前記電気モータ（１，１６０）の制動トルクは、半導体スイッチが低抵抗で接続されているか短絡している動作状態において、低減されているか、完全に補償されていることを特徴とする、電子的に整流される電気モータ（１，１６０）。
2. 前記制御ユニット（１４，１６，１６８）は、蓄積された回転エネルギを用いて前記ロータ（１０）が、欠陥のある半導体スイッチ（４９）に対応する、前記ロータの回転の欠陥角度領域を通過することができるように前記ステータ（３）を駆動制御するよう構成されている、請求項１記載の電子的に整流される電気モータ（１）。
3. 前記制御ユニット（１４，１６，１６８）は、相互に異なる駆動制御パターンのためのメモリと接続されており、且つ、低抵抗の接続または短絡に依存して駆動制御パターンを選択し、選択された駆動制御パターンを用いて前記ステータを駆動制御するよう構成されている、請求項１または２記載の電子的に整流される電気モータ（１）。
4. 前記駆動制御パターンは、時間的に連続するスイッチングパターン（２０２）によってそれぞれ形成されており、該スイッチングパターン（２０２）は前記ステータ（１６２）のステータコイル（１７０，１７２，１７４，１７６，１７８）の電圧状態および／または通電状態をそれぞれ表し、
   各スイッチングパターン（２０２）は符号語によって形成されており、該符号語は各ステータコイル（１７０，１７２，１７４，１７６，１７８）に対して１ビットを有し、該ビットは、前記ステータコイル（１７０，１７２，１７４，１７６，１７８）の前記電圧状態および／または前記通電状態を表す、請求項３記載の電子的に整流される電気モータ（１，１６０）。
5. 前記制御ユニット（１４，１６）は、ロータの回転方向において欠陥角度領域（９５）に続く角度領域（９６）において、前記ロータ（１０）が前記欠陥角度領域（９５）を通過することができるように、低抵抗で接続されていない半導体スイッチ（４０，４２，４４，４６，４８）を用いて前記ステータ（３）を駆動制御するよう構成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の電子的に整流される電気モータ（１）。
6. 前記電気モータは中間回路コンデンサ（１８４）を有し、該中間回路コンデンサ（１８４）は前記電力出力段（１６４）、殊に前記電力出力段（１６４）の半導体スイッチと少なくとも直接的に接続されており、
   前記電気モータ（１６０）は制御可能に構成されている分離スイッチ（１８２）、殊にリレーまたは半導体スイッチを有し、該分離スイッチ（１８２）のスイッチング区間は前記中間回路コンデンサ（１８４）を前記電力出力段（１６４）と接続し、
   前記分離スイッチ（１８２）の制御端子（１８７）は前記制御ユニット（１６８）と接続されており、該制御ユニット（１６８）は、前記中間回路コンデンサ（１８４）の欠陥に依存して、殊に、前記中間回路コンデンサ（１８４）の前記欠陥によって低抵抗で相互に接続されているか短絡している電極に依存して、前記分離スイッチ（１８２）のスイッチング区間を分離するための制御信号を形成し、該制御信号を前記分離スイッチ（１８２）に送信するよう構成されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の電子的に整流される電気モータ（１６０）。
7. ステータ（３）とロータ（１０）とを備えた電子的に整流される電気モータ（１）を用いて回転運動を生じさせる方法であって、
   前記ステータ（３，５，７，９）と接続されている複数の半導体スイッチ（４０，４２，４４，４６，４８，４９）の駆動制御により、前記電気モータ（１）の前記ロータ（１０）を回動させる回転磁場が形成される、方法において、
   殊に欠陥によって低抵抗で接続されているか、または短絡している半導体スイッチ（４９）に依存して、
   前記ロータ（１０）が回転全体にわたって機械的な出力（３１）を供給することができるように、もしくは、
   前記欠陥に起因する前記電気モータ（１，１６０の制動トルクが、半導体スイッチが低抵抗で接続されているか、または短絡している動作状態において低減されているか、または完全に補償されているように、
   回転磁界を形成することを特徴とする、方法。
8. 前記ロータ（１０）が蓄積された回転エネルギを用いて、欠陥のある半導体スイッチ（４９）に対応する、前記ロータの回転の欠陥角度領域を通過することができるように前記ステータ（３，５，７，９）を駆動制御する、請求項７記載の方法。
9. 欠陥の無い半導体スイッチ（４０，４２，４４，４６，４８）を用いる動作用の駆動制御パターン（７０）と、欠陥のある少なくとも１つの半導体スイッチ（４９）のための少なくとも１つの駆動制御パターン（７１）を蓄積し、
   低抵抗の接続（３８）または短絡（３８）に依存して、前記欠陥のある半導体スイッチ（４９）に対応する駆動制御パターン（７１）を選択し、選択した駆動制御パターンを用いて前記ステータ（３，５，７，９）を駆動制御する、請求項７または８記載の方法。
10. 各半導体スイッチ（４０，４２，４４，４６，４８，４９）に対して、欠陥のある半導体スイッチ（４０，４２，４４，４６，４８，４９）用の駆動制御パターン（７１）を蓄積する、請求項９記載の方法。
11. 低抵抗の接続（３８）または短絡（３８）に依存して、前記欠陥のある半導体スイッチ（４９）に対応する駆動制御パターン（７１）を形成し、前記欠陥のある半導体スイッチ（４９）に関して形成した駆動制御パターンを用いて前記ステータ（３，５，７，９）を駆動制御する、請求項８記載の方法。

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