WO2002095903A1

WO2002095903A1 - Bürstenloser gleichstromantrieb

Info

Publication number: WO2002095903A1
Application number: PCT/DE2002/000968
Authority: WO
Inventors: Stefan Beyer; Harald Witzig
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2001-05-18
Filing date: 2002-03-16
Publication date: 2002-11-28
Also published as: JP2004519999A; US20030173850A1; DE10124436A1; US6828702B2; EP1400003A1; KR20030020372A

Abstract

Bei einem bürstenlosen Gleichstromantrieb mit einem Synchronmotor (10), der einen eine mehrphasige Statorwicklung (15) tragenden Stator (12) und einen mit Permanentmagnetpolen (20) bestückten Rotor (13) aufweist, und mit einer der Statorwicklung (15) vorgeschalteten Schaltvorrichtung (11) zum Kommutieren der Statorwicklung (15) ist zur Erzwingung eines Fail-Silent-Verhaltens im Rotor (13) eine Felderregerwicklung (21) angeordnet, die im Fehlerfall so bestrombar ist, dass sie einen den Magnetfeld der Permanentmagnetpole (20) entgegengerichtetes Magnetfeld erzeugt.

Description

Bürstenloser Gleichstromantrieb

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem bürstenlosen Gleichstromantrieb nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In Kraftfahrzeugen werden permanentmagneterregte, bürstenlose Gleichstromantriebe zu vielfältigen Zwecken, darunter auch für elektrische Servolenkungen, verwendet. Diese Gleichstromantriebe weisen einen Synchronmotor mit einer Stator- oder Ankerwicklung und einem permanentmagneterregten Rotor auf. Die Ankerwicklung ist über einen Wechselrichter in Brückenschaltung mit Halbleiter-Leistungschaltern an das

Gleichspannungsnetz angeschlossen. Der die Kommutierung der Statorwicklung bewirkende Wechselrichter wird von einem elektronischen Steuergerät angesteuert.

In der DE 37 09 168 AI ist ein an einem Gleichspannungsnetz betriebener Synchronmotor beschrieben, in dem drei von einem Steuergerät angesteuerte Halbleiter-Leistungschalter in den Wicklungsträngen der in Stern geschalteten Ξtatorwicklung angeordnet sind. Treten in der Statorwicklung und/oder in den ^• Leistungsschaltern Fehler auf, so kann der Gleichstromantrieb ein dauerhaftes elektromagnetisches Bremsmoment erzeugen, ohne daß eine Gleichspannung angelegt ist, da nunmehr der Synchronmotor als Generator gegen einen niederoh igen Lastwiderstand arbeitet. In vielen Anwendungsfällen beeinträchtigt ein solches Bremsmoment die Funktion des Aggregats oder Systems, in dem der Gleichstromantrieb eingesetzt ist. So erzwingt z.B. bei elektrischen Servolenkungen das im Fehlerfall auftretende Bremsmoment erhebliche Lenkkräfte, denen der Fahrer mit eigener

Körperkraft für die erforderlichen Gegenmaßnahmen begegnen muß. Damit ist die Gefahr gegeben, daß der Fahrer das Fahrzeug nicht mehr wie gewünscht lenken kann und die Kontrolle über das Fahrzeug verliert. Es ist bekannt, an diesen Gleichstromantrieben Einrichtungen vorzusehen, die in einem solchen Fehlerfall zu einem sog. Fail-Silent-Verhalten des Gleichstromantriebs führen, d.h. daß der fehlerhafte

Gleichstromantrieb keinen störenden oder nachteiligen Einfluß auf das Aggregat oder das System ausübt, dieses also so arbeitet, als ob der Gleichstromantrieb nicht vorhanden wäre.

Bei einer bekannten elektrischen Servolenkung wird zur Erzeugung des angestrebten Fail-Silent-Verhaltens eine mechanische Kupplung verwendet, über die die Abtriebswelle des Synchronmotors in das Lenkgetriebe eingreift. Im Fehlerfall wird die Kupplung geöffnet und somit der Motor mechanisch vom Lenksystem getrennt. Es ist eine hybriderregte, elektrische Maschine bekannt (EP 0 729 217 Bl), bei der das Magnetfeld des Rotors sowohl mittels Permanentmagnete als auch mittels einer über Schleifringe mit Erregerstrom versorgten Felderregerwicklung erzeugt wird. Der Rotor ist in zwei Rotorhälften axial unterteilt, die mit axialem Abstand zueinander auf der Rotorwelle montiert sind. Im Blechpaket jeder Rotorhälfte sind Aufnahmeöffnung vorgesehen, in die die Permanent- oder Dauermagnete eingesetzt sind. Die Dauermagnete sind hinsichtlich ihrer Polarität^' in den Rotorhälften so angeordnet, daß sie in der einen Rotorhälfte mit ihrem . Nordpol und in der anderen Rotorhälfte mit ihrem Südpol zum Luftspalt der Maschine weisen. Die Dauermagnete in den beiden Rotorhälften sind gegeneinander um eine Polteilung versetzt. In den zwischen den beiden Rotorhälften bestehenden Zwischenraum ist die als Ringspule ausgebildete Felderregerwicklung eingefügt. Wird die Felderregerwicklung mit Gleichstrom gespeist, so wird ein den magnetischen Fluß der Dauermagnete je nach Stromrichtung des Erregerstroms verstärkender oder schwächender magnetischer Fluß erzeugt. Hierdurch ergibt sich ein großer Regelbereich für die Drehzahl bzw. Spannung der Maschine.

^"Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße bürstenlose Gleichstromantrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß das gewünschte Fail-Silent-Verhalten des Gleichstromantriebs ohne teuere externe Bauelemente, wie sie mechanische Kupplungen darstellen, mit einfachen Steuervorgängen im

Gleichstromantrieb selbst erreicht wird. Durch entsprechende Ansteuerung der Felderregerwicklung kann im Fehlerfall das Magnetfeld der Permanentmagnete durch das Magnetfeld der Felderregerwicklung reduziert oder aufgehoben werden, so daß im Synchronmotor keine oder nur eine reduzierte induzierte Spannung auftritt und somit kein oder nur ein reduzierter Kurzschlußstrom fließen kann, der kein oder nur ein sehr kleines Bremsmoment erzeugt. Dabei führt eine moderate, von der Temperatur abhängige Senkung des Magnetfelds zu einer Senkung des Bremsmoments und vermeidet eine irreversible Entmagnetisierung der Permanentmagnete und damit deren dauerhafte Schädigung. Reicht eine Reduzierung des Bre smorαents nicht aus, kann insgesamt das Magnetfeld z.u Null gemacht werden, wobei dann allerdings die dauerhafte Schädigung der Permanentmagnete in Kauf genommen werden muß.

Wird die Felderregerwicklung des Rotors nicht nur im Fehlerfall bestromt, sondern auch im Normalbetrieb, so kann einerseits bei einer Addition der Magnetfelder im Motor eine hohe Leistungsdichte erreicht und können andererseits im drehzahlvariablen Betrieb durch eine bewußt herbeigeführte Feldschwächung höhere Drehzahlen erzielt werden.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Gleichstromantriebs möglich.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Felderregerwicklung eine der Zahl der Permanentmagnete entsprechende Anzahl von Spulen auf, die jeweils einen der Permanetmagnete umschließen. Die Spulen sind parallel oder seriell geschaltet und an einem drehfest mit dem Rotor verbunden Schleifringpaar angeschlossen. Diese konstruktive Integration der Felderregerwicklung in den Synchronmotor erfordert nur einen geringen, konstruktiven und fertigungstechnischen Zusatzaufwand zum Herbeiführen des gewünschten Fail-Silent-Verhaltens.

Zeichnung

Der Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines bürstenlosen Gleichstromantriebs,

Fig. 2 -einen Querschnitt eines dreiphasigen, vierpoligen Synchronmotors im Gleichstromantrieb gemäß Fig. 1, ' schematisch dargestellt,

Fig. 3 eine schematische Ansicht des Rotors des Synchronmotors in Fig. 2.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Der in -Fig. 1 im Schaltbild dargestellte, bürstenlose Gleichstromantrieb weist einen Synchronmotor 10 auf, der mittels einer Schaltvorrichtung 11 zum elektronischen Kommutieren an einem Gleichspannungsnetz betrieben wird, das in Fig. 1 mit "+" und "-" gekennzeichnet und mit

Anschlußklemmen 30, 31 des Gleichstromantriebs verbunden ist Der Synchronmotor 10 weist in bekannter Weise einen Stator 12 und einen Rotor 13 auf, der auf einer in einem Gehäuse drehend gelagerten Rotorwelle 14 (Fig. 2) sitzt. Der Stator 12 trägt eine Anker- oder Statorwicklung 15, die im Ausführungsbeispiel dreiphasig ausgeführt ist und deren Wicklungsphasen 151 - 153 in Stern geschaltet sind. Die Wicklungsanschlüsse 1, 2, und 3 der Statorwicklung 15 sind über je eine Verbindungsleitung 16 mit der Schaltvorrichtung 11 verbunden.

Die als B6-Wechselrichter ausgeführte Schaltvorrichtung 11 weist sechs Halbleiter-Leistungschalter - 15 in Brückenschaltung auf, die im Ausführungsbeispiel als MOS-FETs ausgebildet sind. Die zu den Wicklungsanschlüssen 1, 2 und 3 führenden Verbindungsleitungen 16 sind dabei jeweils an einem der Abgriffe 4, 5 und 6 der jeweils durch Reihenschaltung zweier Leistungschalter 17 gebildeten Brückenzweige angeschlossen, die in der Verbindung von jeweils zwei Leistungsschaltern 17 liegen. Zum Kommutieren der Statorwicklung 15, d.h. zum zeitlich richtigen Anlegen der Wicklungsphasen 151 - 153 an das Gleichspannungsnetz in Übereinstimmung mit der Drehlage des Rotors 13, sind die Leistungsschalter 17 von einem elektronischen Steuergerät 18 ansteuerbar.

Der in Fig. 1 nur symbolisch angedeutete und in Fig. 2 und 3 im Schnitt schematisch dargestellte Rotor 13 weist einen von einem Blechlamellenpaket oder einem massiven Eisenpaket gebildeten Rotorkörper 19, der drehfest auf der Rotorwelle 14 sitzt, und mehrere, außen am Rotorkörper 19 festgelegte

Permanentmagnetpole 20 auf. Der in Fig. 2 skizzierte Rotor 13 ist vierpolig ausgeführt und hat dementsprechend vier um jeweils 90° am Umfang des Rotorkörpers 19 versetzt angeordnete Permanentmagnetpole 20, wobei aufeinanderfolgende Permanentmagnetpole 20 wechselnde Polarität "N" und "S" aufweisen, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Auf dem Rotorkörper 19 ist weiterhin eine Felderregerwicklung 21 untergebracht, die an einem auf der Rotorwelle 14 drehfest sitzenden Paar von Schleifringen 22, 23 angeschlossen ist. Die Felderregerwicklung 21 besteht aus insgesamt vier Spulen 24, wobei jeweils eine Spule 24 um einen der Permanentmagnetpole 20 gewickelt ist, also den Permanentmagnetpol 20 auf seinen insgesamt vier in Axialrichtung und in Umfangsrichtung sich erstreckenden Seitenflächen umschließt. Die Spulen 24 sind im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 und 3 parallel geschaltet, und die Parallelschaltung ist an den Schleifringen 22, 23 angeschlossen. Alternativ können die Spulen 24 auch in Reihe geschaltet werden. Die Spulen 24 sind so gewickelt, daß der von den Schleifringen 22, 23^" abgenommene Erregerstrom in aufeinanderfolgenden Spulen 24 ein inverses Magnetfeld erzeugt.

Die Felderregerwicklung 21 ist Teil einer Einrichtung zum Erzwingen eines sog. Fail-Silent-Verhaltens des Gleichstromantriebs, die sicherstellt, daß bei Auftreten eines Fehlers im Gleichstromantrieb, der z.B. von einem defekten Leistungsschalter 17 oder einem Wicklungsschluß in der Statorwicklung 15 verursacht sein kann, das mit dem Gleichstromantrieb zusammenwirkende System nicht nachteilig beeinflußt oder gestört wird. Neben der Felderregerwicklung 21 weist diese Einrichtung noch eine im Steuergerät 18 integrierte Steuervorrichtung 25, drei in jeweils ^' einer Wicklungsphase 151, 152, 153 angeordnete Meßshunts 26 und einen die Motortemperatur erfassenden Temperaturfühler 27 auf. Die Meßshunts 26 und der Temperaturfühler 27 sind über Meßleitungen 28 mit Eingängen der Steuervorrichtung 25 verbunden. Zwei Ausgänge der Steuervorrichtung 25 sind über Steuerleitungen 29 an den Schleifringen 22, 23 angeschlossen. Die Steuervorrichtung 25 ist wie das Steuergerät 18 an den Anschlußklemmen 30, 31 des Gleichstromantriebs und damit an dem Gleichsparinungsnetz angeschlossen. Unmittelbar hinter der Anschlußklemme 30 ist ein Stromunterbrecher 32 angeordnet, der von der Steuervorrichtung 25 ansteuerbar ist.

Die Steuervorrichtung 25 mißt die über die Meßshunts 26 fließende Ströme nach Betrag und Phase und addiert diese vektoriell. Bei fehlerfreiem Gleichstromantrieb ergibt das Additionsergebnis stets Null. Weicht die Vektorsumme signifikant von Null ab, so liegt ein Fehler in den Wicklungsphasen 151 - 153 oder in den Leistungsschaltern 17 vor. In diesem Fall wird von der Steuervorrichtung 25 der Stromunterbrecher 32 so angesteuert, daß er öffnet, und an die Felderregerwicklung 21 ein Erregerstrom gelegt, der über die Spulen 24^' einen dem Magnetfluß der Permanentmagnetpole 20 ^'entgegengerichteten Magnetfluß erzeugt. Dadurch wird das Erregerfeld des Synchronmotors 10 geschwächt, so daß in der Statorwicklung 15 keine oder nur noch eine kleine Spannung induziert wird und damit kein oder nur ein kleines Bremsmoment auftritt. Die Schwächung des Magnetfelds wird abhängig von der Temperatur des Synchronmotors 10 vorgenommen, die über den Temperaturfühler 27 erfaßt und der Steuervorrichtung 25 zugeführt wird. Die .temperaturabhängige Schwächung des Magnetfelds erfolgt dabei in der Weise, daß eine irreversible Entmagnetisierung der Permanentmagnetpole 20 vermieden und damit eine dauerhafte Schädigung des Synchronmotors 10 ausgeschlossen wird. Die Größe des von der Steuervorrichtung 25 an die Schleifringe 22, 23 'gelegten Erregerstroms, die z.B. mittels Pulsweitenmodulation eingestellt werden kann, wird in Abhängigkeit von Strangstrom in der Statorwicklung 15 geregelt, d.h. der Erregerstrom wird solange vergrößert, bis die dadurch erreichte Feldschwächung eine nur geringe Spannung induziert und damit ein nur geringer Kurzschlußstrom fließt, der ein noch akzeptables Bremsmoment erzeugt. Reicht diese Reduzierung des Bremsmoments nicht aus, so kann das resultierende Erregerfeld zu Null gebracht werden, wobei dann allerdings die dauerhafte Schädigung der Permianentmagnetpole 20 in Kauf genommen werden muß.

Die Einrichtung zur Erzwingung eines Fail-Silent-Verhaltens kann vorteilhaft auch im Normalbetrieb des Gleichstromantriebs genutzt werden. Wird die Stromrichtung in der Felderregerwicklung 21 so gewählt, daß das von ihr erzeugte Magnetfeld sich mit dem Magnetfeld der Permanentmagnetpole 20 addiert, so entsteht ein Motor mit hoher Leistungsdichte. Wird die Stromrichtung in der Felderregerwicklung .21 umgekehrt und dadurch das resultierende Magnetfeld geschwächt, so -können höhere Drehzahlen eingestellt werden. Die Größe der Feldverstärkung oder Feldschwächung wird wiederum von der Steuervorrichtung 25 mittels Pulsweitenmodulation des den Schleifringen 22, 23 zugeführten Gleichstroms eingestellt. Eine Ansteuerung des Stromunterbrechers 32 unterbleibt.

Claims

Ansprüche

1. Bürstenloser Gleichstromantrieb mit einem Synchronmotor (10), der einen eine mehrphasige Statorwicklung (15) tragenden Stator (12) und einen Rotor (13) mit Permanentmangetpolen (20) aufweist, die einen die Statorwicklung (15) durchsetzenden Magnetfluß erzeugen, und mit einer der Statorwicklung (15) vorgeschalteten, von einem elektronischen Steuergerät (18) gesteuerten Schaltvorrichtung (11) zum Kommutieren der Statorwicklung (15), dadurch gekennzeichnet, daß im Rotor (13) eine Felderregerwicklung (21) angeordnet ist, die im Fehlerfall so bestrombar ist, daß sie einen dem Magnetfluß der Permanentmagnetpole (20) entgegengerichteten Magnetfluß erzeugt.

2. Gleichstromantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Felderregerwicklung (21) eine der Zahl der Permanentmagnetpόle (20) entsprechende Anzahl von Spulen (24) aufweist, die jeweils einen der Permanentmagnetpole (20) umschließen.

3. Gleichstromantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (24) parallel oder seriell geschaltet sind und an einem drehfest mit dem Rotor (13) verbundenen Schleifringpaar (22, 23) angeschlossen sind.

4. Gleichstromantrieb nach Anspruch 3, dadurch, gekennzeichnet, daß die Schleifringe (22, 23) mit einem Gleichstrom beaufschlagbar sind, dessen Größe mittels einer Steuervorrichtung (25) einstellbar ist.

5. Gleichstromantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,^' daß die Steuervorrichtung (25) im elektronischen Steuergerät (18) integriert ist.

6. Gleichstromantrieb nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (25) einen Pulsweitenmodülator aufweist.

7. Gleichstromantrieb nach einem der Ansprüche 4 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (25) den Gleichstrom abhängig von der Motortemperatur einstellt.

8. Gleichstromantrieb nach einem der Ansprüche 4 - 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (25) den Gleichstrom in Abhängigkeit von einem in der Statorwicklung (15) fließenden Strangstrom einstellt.

9. Bürstenloser Gleichstromantrieb mit einem Synchronmotor (10), der einen eine mehrphasige Statorwicklung ^' (15) tragenden Stator (12) und einen Rotor (13^') mit Permanentmangetpolen (20) aufweist, die einen die Statorwicklung (15) durchsetzenden Magnetfluß erzeugen, und mit einer der Statorwicklung (15) vorgeschalteten, von einem elektronischen Steuergerät (18) gesteuerten Schaltvorrichtung (11) zum Kommutieren der Statorwicklung (15), dadurch gekennzeichnet, daß im Rotor (13) eine Felderregerwicklung (21) angeordnet ist, die eine der Zahl der Permanentmangetpole (20) entsprechenden Zahl von Spulen (24) aufweist, die jeweils einen der Permanentmagnetpole (20) umschließen.

10. Gleichstromantrieb nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, .daß die Spulen (24) parallel oder seriell geschaltet und an_. Schleifringen (22, 23) angeschlossen sind.

11. Gleichstromantrieb nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (24) so geschaltet sind, daß die Richtungen der von in Drehrichtung aufeinanderfolgenden Spulen (24) erzeugten Magnetflüsse gegensinnig sind.

12. Gleichstromantrieb nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleifringe (22, 23) mit einem Gleichstrom beaufschlagbar sind, dessen Größe mittels einer Steuervorrichtung (25), vorzugsweise über eine Pulsweitenmodulation, einstellbar ist.