JP4373327B2 - 電子的にコミュテート可能なモータ - Google Patents

Description

本発明は、例えば以前のドイツ連邦共和国特許明細書１００ ６４４ ８６．４に記載されているような電子的にコミュテート可能なモータに関する。この明細書にはモータの電子的な制御も詳細に記載されている。この実施形態は、ここで提案される電子的にコミュテート可能なモータにも該当し、したがってモータ制御の説明の詳細は本願明細書においてはもう一度詳細には検討しない。

ドイツ連邦共和国特許明細書１００ ６４４ ８６．４に記載されている方法は特に電気モータの回転子の位置を求めることに向けられているが、その構成方式及び制御様式によって考えられる殊に有利な適用形態には向けられていない。これらの適用形態は、自動車における安全にとって重要な二次駆動装置のための駆動モータとしての上位概念記載のモータに関し、殊に電気的な操縦補助の駆動モータとしての適用に関する本発明の対象である。このようなモータの構造及び制御は、モータがエラー時に自動車の安全性を損なうトルク、殊に自動車のハンドルの操作時に制動トルクを形成しないようにこのモータを制御できることを予定する、駆動装置の安全性のコンセプトについての要求を満たす。したがって本発明では電子的にコミュテート可能なモータを使用する根拠は、ブラシが無いために磨耗が無く廉価な構造であることが第１ではなく、制御によってトルクリプルを僅かにするよう作用を及ぼすことができる他に、モータ制御部の構成素子またはモータ自体におけるエラーの発生時に、殊にコイルにおける短絡を考慮するエンジン制御の可能性である。このような短絡時には定格電流のオーダにあり、駆動装置に危険なトルクが生じる短絡電流が生じる。殊にこのようなエラーよって、例えば電気的な操縦補助において操縦支援が行われないだけでなく、それどころか車両の操縦可能性を実質的に不能にする逆トルクが生じる可能性がある。

予定される用途での電子的にコミュテート可能なモータの第１の有利な実施形態は、励磁コイルの相巻線は一方ではハーフブリッジ回路を介して直流電圧源と接続可能であり、他方ではコミュテーション装置の半導体スイッチが故障した際にエラー電流を遮断するために分断可能な中性点と相互接続されている。これによって駆動電力が少なくとも部分的に維持されることが達成される。星形結線された励磁コイルにおいてコイルが短絡した場合には、駆動モータが回転する際に欠陥のあるコイルに誘導される電圧を遮断することができないので確かに外乱を遮断することはできない。しかしながら他方では欠陥のある相巻線において中性点を分断した後では、欠陥のあるコイルにより生じる制動トルクをモータの駆動によって残存する相巻線でもって少なくとも部分的に補償することができ、したがって駆動電力の部分的な維持を保証することができる。

モータに対する本発明が意図する殊に好適な制御可能性は、コミュテーション装置にフルブリッジ回路を使用する際に生じ、励磁コイルの相巻線をそれぞれ直流電圧源に接続することができる。励磁コイルの相巻線をそれぞれ制御できることによって、非常に有利なやり方で非常走行モードを保証することができ、しかもコミュテーション装置においてエラーが生じた際にも、励磁コイルの相巻線内にエラーが生じた際にも保証することができる。コミュテーション装置またはコイルの相巻線におけるエラーはここではまた制動トルクにもつながる。しかしながらこの制動トルクは欠陥の無い２つの相巻線によって、外乱を遮断せずとも補償することができる。コミュテーション装置のエラーを有する１つの分岐を他の相巻線に依存せずに開く付加的な可能性によって、半導体構成素子内にエラーが生じた際には欠陥のある相巻線を開くことによって外乱をすることができ、またモータの動作を２／３の電力でもって継続することができる。コイルの１つの相巻線においてエラーが生じた際には、確かにコイルの星形回路の場合と同様に外乱を遮断できないが、単に１つの相巻線しか該当しないので、発生した制動トルクの補償はコイルの星形回路の場合よりも高い割合で可能である。

相巻線の分断を殊に有利なやり方で相巻線の星形回路においても、既存のまたは付加的な半導体スイッチを用いる、有利にはＭＯＳＦＥＴスイッチを用いるフルブリッジコミュテーション回路を介する相巻線のそれぞれ個別の接続においても行われる。

本発明によるモータのさらなる詳細及び有利な実施形態は３つの実施例の以下の説明及び付属の図面から生じる。

ここで、図１は分断可能な中性点と相互接続されている相巻線のための半導体スイッチを備えたハーフブリッジコミュテーション装置を示し、図２及び図３はそれぞれ電子的にコミュテート可能なモータのための回路装置を示し、このモータの相巻線はそれぞれフルブリッジコミュテーション装置を介して直流電圧源と接続可能であり、ここで図３の装置は特にＭＯＳＦＥＴスイッチの使用が考慮される。

実施例
図１には、永久磁石を備えたコミュテート可能なモータの回転子が参照符号１０でもって示されており、このモータの三相の励磁コイルは固定子内に配置されている。相巻線は参照符号１２、１４及び１６でもって表されており、ＭＯＳＦＥＴスイッチ１８、２０、２２を介して星形結線されている。相巻線１２、１４及び１６には位相電流Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３が流れ、この位相電流はＢ６回路とも称される６パルスハーフブリッジ回路を介して制御される。コミュテーション装置は同様にＭＯＳＦＥＴスイッチによって形成され、このＭＯＳＦＥＴスイッチには参照符号２４、２６、２８ないし３０、３２、３４が付されている。供給電圧及び制御命令を、コミュテーション装置のＭＯＳＦＥＴスイッチ２４から３４、同様に中性点回路のＭＯＳＦＥＴスイッチ１８から２２が、直流電圧源３８とコミュテーション装置の入力側との間に接続されているエンジン制御部３６から受け取る。

固定子内の励磁コイル及び永久磁石を備えた回転子１０を有する本発明による電子的にコミュテート可能なモータは、ブラシレス直流モータ（ＢＬＤＣモータ）とも称される。このようなモータはその制御も含め冒頭で述べたＤＥ１００ ６４４ ８６．４において既に詳細に開示されており、また基本的に公知でもある。したがってモータの構造及び制御の説明の完全な反復は本明細書においては省略すべきであるので、ここでは単に自動車における安全にとって重要な二次駆動装置の駆動モータ、有利には電気的な車両操縦装置の駆動モータとしての使用、実質的な構成部分及び回路の特徴、すなわち半導体またはコイルが故障した際の分断の措置及び可能性を説明する。

図１による回路装置は外乱の無い動作時にはＭＯＳＦＥＴスイッチ１８、２０、２２は閉じられており、相巻線に対する中性点を形成する。位相電流Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３の大きさ及び経過はＭＯＳＦＥＴスイッチ２４、２６、２８並びに３０、３２及び３４を介して、エンジン制御部３６から送出されるパルス幅変調によって調節される。この際それぞれの位相電流Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３は中性点及び３つの測定抵抗４０、４２、４４を介して直流電圧源３８の負極へと導かれる。

モータの外乱の無い動作時には３つのＭＯＳＦＥＴスイッチ１８、２０及び２２は閉じられており、励磁コイルの中性点を規定する。位相電流Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３はエンジン制御部３６によって検出され、例えばクロッキングされたＭＯＳＦＥＴスイッチ２４における位相電流Ｉ_１は、クロッキングによる所定の経過でもって導通しているＭＯＳＦＥＴスイッチ３２及び抵抗４２を介して直流電圧源の負極へと再び達する。クロッキングによって惹起される電流の流れの休止時のフリーホイール電流回路は、相巻線１２及び１４並びに２つのＭＯＳＦＥＴスイッチ３０及び３２を介して閉じる。スイッチ３２はこの期間には導通しており、ＭＯＳＦＥＴスイッチ３０では集積されている反転ダイオードを介して受動的なフリーホイールが生じるか、ＭＯＳＦＥＴスイッチ２４の電流の流れの休止時にパルシングによる投入接続によって能動的なフリーホイールが生じる。相応に位相電流Ｉ_２及びＩ_３が制御される。

モータの動作時のエラーは殊にコミュテーション装置の半導体スイッチのうちの１つにおけるエラーまたは相巻線のうちの１つにおけるターン間短絡（Windungsschluss）によって生じる可能性がある。例えばＭＯＳＦＥＴスイッチ２４が合金化して繋がった（Durchlegieren）際に、モータの回転によって相巻線１２、１４及び１６に誘導される電圧に基づき電流がＭＯＳＦＥＴスイッチ２６及び２８の反転ダイオードを介して流れ、自動車における電子的な操縦補助のための駆動部を使用する際に実質的に車両の操縦を不能にする制動トルクが生じる。これに対して本発明によれば、ＭＯＳＦＥＴスイッチ１８を用いて相巻線１２、１４、１６の中性点を分断することによって除去される。これによって外乱は遮断され、駆動部は電力が低減されていてもその機能を保つ。例えば相巻線１６においてターン間短絡が生じた際には、電圧が誘導されるために制動トルクが生じ、ここではもっとも外乱の遮断はコイル中性点の分断によって不可能である。しかしながらこの外乱の場合においては、ＭＯＳＦＥＴ１８から２２を用いて中性点を分断することによって少なくとも、車両操縦補助の際にモータを使用する場合に車両ドライバの操舵力に対向するであろう制動トルクを補償することができる。これによって支援されないハンドル作用は保持されたままである。

図２における装置は同様に、固定子内の励磁コイル及び永久磁気的に励起される回転子を備えた電子的にコミュテート可能なモータを示す。したがって図１と同一の部分には同一の参照符号が使用されている。図２において、相巻線１２、１４及び１６をコミュテートするための３Ｈ回路とも称される、半導体スイッチ４６から６８よりなるフルブリッジ回路が設けられている点で図１における回路装置とは異なる。これによって相巻線をそれぞれ直流電圧源３８と接続することができ、またこの直流電圧源３８から切り離すことができ、これによって相巻線を別個に制御するためにフルブリッジ回路では基本的に存在する３つのそれぞれの励振部が共通のＢ６ブリッジ励振部の代わりに必要とされる図１の回路装置に比べより広範なエラー補償の可能性が生じる。さらに図２の装置でも、コミュテーション休止時のフリーホイール電流に起因する損失を、クロック周波数でもって投入接続されるそれぞれに配属されたＭＯＳＦＥＴスイッチを介してフリーホイール電流が流される場合には、能動的なフリーホイールによって著しく低減することができる。例えばＭＯＳＦＥＴスイッチ４６によってクロッキングされる相電流Ｉ_１の場合、ＭＯＳＦＥＴスイッチ５８はそのつどクロック周波数に応じて電流の流れの休止時に導電されることになり、その結果相巻線１２のフリーホイール電流をこの期間に継続的に投入接続されているＭＯＳＦＥＴスイッチ６０及びクロッキングによって導電接続されているＭＯＳＦＥＴスイッチ５８を介して補償調整することができる。ＭＯＳＦＥＴスイッチにおけるクロッキングを図１におけるＭＯＳＦＥＴスイッチのクロックと同様に、トルクリプルを最小限にするために所望の電流形状が生じるように選択することができる。

図２による回路装置において例えばＭＯＳＦＥＴスイッチ４６にエラーが生じ、このエラーによってＭＯＳＦＥＴスイッチ４６が継続的に導電状態になると、ＭＯＳＦＥＴスイッチ４６及び相巻線１２並びにＭＯＳＦＥＴスイッチ４８の反転ダイオードを介して、駆動装置において制動トルクを惹起する電流が流れる。ここでフルブリッジ回路は、外乱を遮断せずに制動トルクを補償し、駆動部は電力の一部でもって外乱の無い２つの相巻線１４及び１６を介してさらに駆動することができる可能性を与える。

生じたエラーが例えば相巻線１２におけるターン間短絡である場合には、外乱の遮断は不可能であり、制動トルクが生じる。しかしながらモータの１つの相巻線しか該当しておらず、他の２つの相巻線には外乱は無いので、生じた制動トルクは欠陥の無い２つの相巻線によって、支援されていないハンドル作用を保持されたままにするように補償することができる。

図３における装置は図２における装置に多分に対応しており、その限りにおいてはもう一度説明しない。図２及び図３における同一の部分には同一の参照符号が付されている。しかしながら、相巻線１２、１４及び１６はここではフルブリッジコミュテーション回路の横方向の分岐に直接挿入されているのではなく、相巻線１２、１４及び１６の両側にはそれぞれ付加的なＭＯＳＦＥＴスイッチ７０、７２；７４、７６；７８、８０があり、各相巻線に付加的に配属されている２つの半導体スイッチはそれぞれ逆導通方向でもって横方向の分岐に挿入されている。このようにして特別に、集積された反転ダイオードを有するＭＯＳＦＥＴ半導体スイッチが使用される場合に個々のブリッジ分岐それぞれを分断することができ、したがって所属の相巻線を分断することができる。この分断は図１による装置における中性点分断に代わるものである。

図３の回路装置において、例えばここでもまたＭＯＳＦＥＴスイッチ４６にエラーが生じ、このエラーによってＭＯＳＦＥＴスイッチ４６が継続的に導通状態になる場合には、この電流回路は中間に接続されている非導通のＭＯＳＦＥＴスイッチ７０によって遮断されているので、相巻線１２及びＭＯＳＦＥＴスイッチ４８の反転ダイオードを介してエラー電流が流れる可能性はもはや無い。相応のことがコミュテーション装置のその他のＭＯＳＦＥＴスイッチにおいてエラーが生じた際にも該当する。図３における回路装置による付加的な措置によって、ＭＯＳＦＥＴフルブリッジ回路はここでもまた、ブリッジの横方向の分岐における付加的な半導体スイッチ７０から８０を開き、したがって外乱を遮断し、その結果制動トルクは先ず全く以て生じえず、したがって比較的高い電力を例えば自動車のパワーステアリングのために使用することができる。

生じたエラーが例えば相巻線１２におけるターン間短絡である場合には、確かに外乱の遮断は半導体スイッチ７０及び７２を開くことによっては不可能であり、制動トルクが生じる。しかしながらモータの他の２つの相巻線には外乱は無いままなので、支援されないハンドル作用は保持される。

自動車における電気的な操縦補助の駆動モータとして論じた適用事例においては、モータはエラー発生時に制動トルクが操縦装置に作用せず、また少なくとも操縦補助によっては支援されないハンドル操作が保証されているように制御できることも保証されている。自動車における安全にとって重要な二次駆動装置の他の適用は、例えば電気的なブレーキまたは電気的なアクセルペダルであり、これらの適用では駆動ユニットとして同様に回転子における永久磁石を備えた電子的にコミュテート可能なモータを使用することができる。

したがって本発明によるモータ回路は、分断可能な中性点を有するハーフブリッジ回路の形態においても、コミュテーションのためのフルブリッジ回路の形態においても、予定される駆動方向に対向するトルクを形成するエラー電流を遮断する可能性を提供する。フルブリッジ回路は各相巻線を別個に制御できるという特別な利点を提供し、これによって出力段においてエラーが生じた場合には発生した制動トルクを他の２つのブリッジ分岐を介して相殺し、非常走行モードを実現にすることができる。さらにフルブリッジ回路では相巻線におけるターン間短絡を補償することも可能であり、ハーフブリッジ回路における中性点分断では逆トルクの一部を抑制することができる。さらにフルブリッジ回路では各相は別個に測定されるので電流信号を相応の相巻線に直接割り当てることができ、また相電流の曲線形状を多くの手間をかけずに各相巻線に対して個別に調節することができ、これによってエラーが生じた際の補償の可能性は著しく高められる。

実施例では、半導体構成素子としてのＭＯＳＦＥＴスイッチをそれぞれ使用するコミュテーション装置を記述している。このようなＭＯＳＦＥＴスイッチは電力損失が少ないために、また外乱に対する信頼性が高いために、しかしながらまた供給電圧がクリティカルでなく、また回路の集積度が良好であるためにコミュテーション装置での使用以外に中性点の分断にも殊に良好に適している。

しかしながら図１によるハーフブリッジ回路における中性点の分断は、ＭＯＳＦＥＴスイッチを使用する代わりに、電力トランジスタ、リレーまたはエアバッグシステムと同等のものを用いても花火技術的に行うことができる。それぞれの場合において、中性点を分断するために使用される構成素子は完全な相電流のために設計されている必要があり、また付加的な損失並びにそれに伴う熱も考慮する必要がある。図２によるフルブリッジ回路では、半導体スイッチにおけるエラーによって相巻線が故障した場合には欠陥のない２つの相巻線を、制動トルクが補償されるかそれどころか制動トルクを上回るように制御することができる。コイルにおける短絡にもこのようにして、付加的な構成素子を要することなく対処することができる。短絡電流は既述の適用例では定格電流のオーダにあり、その結果構成素子の相応の設計は短絡電流を抑制するためにも十分である。

半導体スイッチを備えたハーフブリッジコミュテーション装置である。 電子的にコミュテート可能な回路装置である。 電子的にコミュテート可能な回路装置である。

Claims (5)

1. 永久磁石回転子（１０）のための回転トルクを形成するために半導体スイッチ（４６、４８、５０、５２、５４、５６、５８、６０、６２、６４、６６、６８）を備えたコミュテーション装置及びエンジン制御部（３６）を介して直流電圧源（３８）と接続可能である、固定子内に三相の励磁コイル（１２、１４、１６）を有する、自動車における安全にとって重要な二次駆動装置用の電子的にコミュテート可能なモータであって、
   前記励磁コイルの相巻線（１２、１４、１６）は半導体スイッチ（４６、４８、５０、５２、５４、５６、５８、６０、６２、６４、６６、６８）からなるフルブリッジ回路を介してそれぞれ前記直流電圧源（３８）と接続可能である、電子的にコミュテート可能なモータにおいて、
   ターン間短絡が生じた場合または前記コミュテーション装置の半導体スイッチ（４６、４８、５０、５２、５４、５６、５８、６０、６２、６４、６６、６８）においてエラーが生じた場合に、モータによって形成された制動トルクを阻止するか、少なくとも部分的に補償するために前記励磁コイルの相巻線（１２、１４、１６）を遮断する付加的な半導体スイッチ（７０、７２、７４、７６、７８、８０）が設けられており、それぞれ２つの前記付加的な半導体スイッチ（７０、７２；７４、７６；７８、８０）は逆導通方向でもって各ブリッジ分岐内に前記励磁コイルの各相巻線（１２、１４、１６）の両側に配置されていることを特徴とする、電子的にコミュテート可能なモータ。
2. 前記コミュテーション装置の半導体スイッチ（４６、４８、５０、５２、５４、５６、５８、６０、６２、６４、６６、６８）及び／又は前記付加的な半導体スイッチ（７０、７２、７４、７６、７８、８０）はＭＯＳＦＥＴスイッチとして構成されている、請求項１記載のモータ。
3. 前記励磁コイルの相巻線（１２、１４、１６）を流れる相電流（Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３）の制御をパルス幅変調により行う、請求項１記載の電子的にコミュテート可能なモータ。
4. 前記相電流（Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３）の流れの中断時に、前記コミュテーション装置の別の半導体スイッチ（５８、６０、６２、６４、６６、６８）のパルシングによる投入接続でもって能動的なフリーホイールを形成する、請求項３記載の電子的にコミュテート可能なモータ。
5. 請求項１から４までのいずれか１項記載の電子的にコミュテート可能なモータを有する電気的なパワーステアリング。

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