WO2019141428A1 - Method for operating an electronically commutated motor, control unit, device, and work device - Google Patents

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WO2019141428A1
WO2019141428A1 PCT/EP2018/083612 EP2018083612W WO2019141428A1 WO 2019141428 A1 WO2019141428 A1 WO 2019141428A1 EP 2018083612 W EP2018083612 W EP 2018083612W WO 2019141428 A1 WO2019141428 A1 WO 2019141428A1
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heating
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pump
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PCT/EP2018/083612
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Peter Schenk
Ingo Immendoerfer
Ingmar Burak
Benjamin Henke
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Robert Bosch Gmbh
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    • H02P2101/00—Special adaptation of control arrangements for generators
    • H02P2101/25—Special adaptation of control arrangements for generators for combustion engines

Definitions

  • the present invention relates to an operating method for an electronically commutated motor, a control unit for controlling the operation of an electronically commutated motor, a device with an electronically commutated motor and a working device, and more particularly
  • Vehicle technology devices are used, which are based on the operation of an electronically commutated motor.
  • the operation of such devices and their underlying engines is dependent on a specific operating temperature range being met. This is of particular relevance in the case of pumps as devices, because a drop below the operating temperature range can lead to a freezing of the underlying device due to the solidification of the pumped medium.
  • DE 10 2010 035 039 A1 describes a pump with an electric motor and a method for switching on such a pump, in which it is provided to drive stator windings of the pump motor in a heating mode in such a way that the pump can be heated by ohmic losses.
  • DE 10 2012 206 822 A1 describes a method for heating a fluid by means of a control device for controlling a brushless
  • the operating method according to the invention for an electronically commutated motor with the features of claim 1 has the advantage that can be achieved by simple means and without additional equipment, a particularly reliable heating of an electronically commutated motor and an underlying device. This is inventively achieved with the features of claim 1 characterized in that a
  • Operating method for an electronically commutated motor or for a brushless DC motor of an apparatus and in particular a pump is provided with a drive mode in which the motor is supplied with a drive operating voltage as an operating voltage for performing mechanical work, and with a heating mode in which the motor with a Walker remplisschreib is applied as operating voltage for heating without performing mechanical work, being produced by applying the heating operating voltage in one winding or in a plurality of windings of the motor, a high-frequency electrical alternating current and as a result of a high-frequency alternating magnetic field.
  • an electrically or electronically commutated motor is understood to mean a synchronous motor which is controlled and operated by means of a converter electronics.
  • a motor is also referred to as EC motor (EC: English for “electronic commutation”). Since in such a motor, the necessary for the commutation in conventional DC motors brushes missing, such a motor is also referred to as BLDC engine (BLDC: English for “brushless direct current”) or sometimes misleading as a brushless DC motor.
  • BLDC engine BLDC: English for "brushless direct current
  • PM motor Permanent magnet
  • the stator is made in this context several Msgnetspulen and is multiphased and in particular dreiphssig susfirm.
  • the commutation is carried out electrically or electronically by the corresponding multi-phase and in particular three-phase coil strands 3 and, for example, using a corresponding bridge circuit.
  • EC motors are adjustable in their speed and are suitable eg for
  • AC current is generated at a frequency in the range of a minimum frequency fmin to a msximslen frequency fmsx, in particular by corresponding amplitude and / or frequency of the frequency
  • the minimsle and msximsle frequencies are chosen so that a "rectifying" chip does not yet become msnifest in these areas due to the network underlying the motor and, in particular, due to the inductive state.
  • the minimum frequency fmin and the msximsle frequency fmsx sis are values of functions f 1, f2 of the effective current rise time rise time x eff , the effective inductance L eff , and / or the effective ohmic resistance R eff defined by the electronically commutated motor network and / or given, in particular slso by the inductive Lsst the engine.
  • high frequency alternating electrical current having a frequency in the range of about 1 kHz to about 6 kHz is generated.
  • Heating mode can be used. Basically, for the
  • control unit for controlling the operation of an electronically commutated motor or brushless DC motor of an apparatus, and more particularly, a pump.
  • the control unit is set up to
  • a control unit according to the invention can be designed, for example, as part of a higher-level engine control unit of a drive unit and the like.
  • control unit is formed separately to a higher-level engine control unit and in particular acts together with this.
  • the subject of the present invention is also a device with an electronically commutated motor and with a control unit according to the invention for controlling the operation of the electronically commutated motor.
  • the device according to the invention can be used as a pump, as a fuel pump for an internal combustion engine and / or as a water pump in one
  • the present invention also provides a working device and in particular a vehicle.
  • Working device is formed with a device according to the invention as an aggregate.
  • Figures 1 and 2 show schematically the structure of a water injection, which can be operated in connection with an embodiment of the method according to the invention.
  • FIG. 3 shows schematically a structure of a
  • Direct water injection which can be operated with an embodiment of the method according to the invention.
  • FIG. 4 shows schematically in the manner of a block diagram
  • Subsystem for a pump control which can be constructed and operated on the basis of the principles of the invention.
  • FIGS. 5A and 5B show graphs with the time course of a graph
  • Heating operating voltage and a resulting high-frequency current in the winding of an underlying electronically commutated motor are considered to be commutated motors.
  • FIG. 6 schematically shows a drive unit as part of a drive unit
  • Figures 1 and 2 show schematically the structure of a water injection - conceived as inventively designed device 100 - which in Can be operated in connection with an embodiment of the method according to the invention.
  • FIG. 1 shows a superimposed working device 1 according to the invention. This can be for example a vehicle. In this
  • Working device 1 is designed in connection with a water tank 108 and an arrangement of supply line 102 with filter 109 and continuing pressure line 103, a device 100 according to the invention with an electronically commutated motor 10, for example in the manner of a general pump 101 or especially a water pump.
  • the device 100 with the electronically commutated motor 10 is controlled via a detection and control line 21 by means of a control unit 20 designed according to the invention.
  • the control unit 20 is adapted to cause the electronically commutated motor 10 to operate according to the invention and to control.
  • a manifold 104 is formed for a plurality of water injection valves or general valves.
  • the distributor 104 is also referred to as a rail.
  • valve or water injection valve 105 is disposed in a suction pipe 106 of an internal combustion engine with combustion chamber 107.
  • FIG 3 shows schematically the structure of a working device 1 with
  • inventive method can be operated.
  • High-pressure fuel line 1 13 and fuel rail 1 14 for one or a plurality of Hoch horrinjektoren 115 for charging a combustion chamber 107 is formed. While the pressure line 103 with the metering valve 1 10 formed therein serves to supply water from the tank 108, the high-pressure pump 11 1 is connected via an additional fuel supply line 12 Fuel is supplied, whereby downstream of the high-pressure pump 11 1, a fuel-water mixture for feeding the distributor 1 14 is present.
  • Figure 4 shows schematically in the manner of a block diagram a subsystem for a pump control, which can be constructed and operated on the basis of the inventive principles.
  • a control unit 20 is connected via a detection and control line 21 with a device 100 and in particular a pump 101 and the motor 10 in the sense of an electronically commutated motor.
  • the pump 101 is again connected on the input side to a supply line 102 and on the output side to a pressure line 103.
  • control unit 20 is arranged, for example, downstream of an engine control unit 30 and coupled thereto and operatively connected via an interface 31.
  • controller 20 may also be part of a parent
  • Control unit 35 may be formed, for example, as part of a
  • FIGS. 5A and 5B show graphs 50 and 60 with the time profile of a heating operating voltage U (t) and a resulting high-frequency current I (t) in the winding of an underlying electronically commutated motor 10. It can be seen that due to the amplitude and the frequency of the time-varying voltage U (t) a corresponding alternating current l (t) in the respective applied winding of the electronically commutated motor 10 is formed, whereby a corresponding alternating magnetic field is generated, which in the environment in corresponding materials to
  • FIG. 6 schematically shows a drive unit 200 as part of a higher-level control unit 100 for a device 100 according to the invention, for example a pump 101, which is designed with an electronically commutated motor 10.
  • the drive unit 200 essentially consists of a B6 bridge with three half bridges 201, 202 and 203, which is connected to first to third lines of the electronically commutated motor 10 and thus to corresponding phases.
  • About the taps 21 1 and 212 at the shunt 213 can be a current measurement.
  • Inventive device 10 shown.
  • the injection of water can take place directly into the combustion chamber or into the intake tract of the engine.
  • Such a system 10 for water injection comprises a water tank 108 for storing and providing water, a pump 101 in the sense of a working device 100 according to the invention with electronically commutated motor 10 for conveying and pressure build-up, a distributor 104 or a rail for storing and supplying the water the injectors 105 and electrically operated injectors 105 as such, which are designed to inject the water into the intake manifold or before the intake valves - according to Figure 1 - or into the combustion chamber 107 - according to FIG.
  • the pressure is controlled either via the speed of the pump 101 in combination with a pressure sensor, via a diaphragm in combination with a pressure sensor or by means of a mechanically or electrically actuated Pressure regulator or pressure limiter, optionally in combination with a
  • a special feature of a water injection or WL system in the sense of a working device 100 according to the invention is the risk of icing of the water-bearing components, which results due to the medium used water with a freezing point in the range of 0 °.
  • the present invention is basically applicable to all devices 100 operated by an electric motor 10, the following description particularly considers the heating of a water pump 101.
  • an electric pump 101 and a drive motor 10 can generally also be heated without additional external heating.
  • the motor and / or pump controller 20 conventionally controls the motor 10 or the pump 101 so that a constant time current flows in the respective coil windings of the drive motor 10 or pump motor, but no magnetic alternating or rotating field is generated, i. without doing mechanical work.
  • the limiting factor for the usable heating capacity in the previous procedure is the strong local heating of the coils and the limitation of the maximum permissible current through the control unit.
  • the present invention improves such a heating method in terms of higher heating performance and smoother
  • the present invention thus also describes a method for heating an electric water pump 101 using the
  • An exemplary considered subsystem may consist of an electrical
  • Water pump 101 also called BLDC pump - i. operated with a brushless DC motor 10 - can be executed, a
  • the pump controller 20 controls the pump motor 10 to generate a torque for operating the pump 101.
  • Conceivable is a speed-controlled operation of the engine 10 and in particular the underlying pump 101st
  • the pump controller 20 controls the motor 10 and the pump 101 according to the invention so that a high-frequency electric current is generated in the coil windings of the motor 10 or pump motor. This can be done, for example, by high-frequency rectangular or sinusoidal
  • Voltage curves in the supply voltage can be achieved. Exemplary voltage and current profiles are shown in FIGS. 5A and 5B.
  • Re-magnetization losses or iron losses are called and act especially in high-frequency excitation.
  • Coil windings of the driving motor 10 and according to the invention by additional iron losses in the laminated core and possibly other conductive parts.
  • a high-frequency alternating current can be generated in one of the electrical phases U, V and W.
  • the respective energized phases U, V and W of the underlying motor 10 can be cyclically changed through to a uniform as possible To achieve warming.
  • a magnetic rotating field can be impressed, which includes all phases U, V and W of the motor simultaneously.
  • the power output stage of the pump control unit 20 is typically designed as a control unit 200 in the manner of a B6 half-bridge circuit, as shown in connection with Figure 6.
  • deviating control patterns are possible, but they have in common that they drive an alternating current through the motor windings.
  • the described method is applicable to BLDC motors 10 of different designs. Typically, these are designed as permanent-magnet synchronous motors, but also asynchronous motors are possible. The method is applicable for three-phase rotating field motors in star or delta connection. Likewise, motors with strand numbers other than three can also be used. The method described is also applicable to DC motors 10 (DC motors), if they are operated with a control unit.
  • DC motors 10 DC motors
  • a possible example here is a demand-controlled DC fuel pump 101.
  • the scope of the method is not limited to pumps 101 for water injection. Basically, a use for all BLDC or DC pumps 101 or motors 10 is possible if a targeted heating of the pump 101 or the engine 10 is desired at a standstill.
  • a possible application for example, fuel and in particular Ethanol or diesel pumps.
  • the medium of the pump does not necessarily have to be frozen. With a sufficiently high frequency of excitation and a suitable driving method (as described above) no macroscopic movement is produced even with a free-pump.
  • the engine control unit 30 sends a start and / or stop signal for the heating operation to the pump control unit 20.
  • the pump control unit 20 sends a start and / or stop signal for the heating operation to the pump control unit 20.
  • Pump controller 20 detect a blocked and possibly frozen pump 101 and report to the engine control unit 30 or start the heating independently. The end of the heating operation can also by the
  • Pump controller 20 are determined. For this purpose, different internal sizes - e.g. the time already spent in heating mode - or a test of

Abstract

The present invention relates to a method for operating an electronically commutated motor (10) of a device (100) and/or of a pump (101), having a drive operating mode in which a drive operating voltage is applied as the operating voltage to the motor (10) to perform mechanical work, and having a heating operating mode in which a heating operating voltage is applied as the operating voltage to the motor (10) to provide heating without performing mechanical work, wherein applying the heating operating voltage results in a high-frequency alternating electrical current and thus a high-frequency alternating magnetic field being generated in a winding in the motor (10).

Description

Beschreibung  description
Titel title
Betriebsverfahren für einen elektronisch kommutierten Motor, Steuereinheit, Operating method for an electronically commutated motor, control unit,
Vorrichtung und Arbeitsvorrichtunq. Device and working device.
Stand der Technik State of the art
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren für einen elektronisch kommutierten Motor, eine Steuereinheit zum Steuern des Betriebs eines elektronisch kommutierten Motors, eine Vorrichtung mit einem elektronisch kommutierten Motor sowie eine Arbeitsvorrichtung und insbesondere ein The present invention relates to an operating method for an electronically commutated motor, a control unit for controlling the operation of an electronically commutated motor, a device with an electronically commutated motor and a working device, and more particularly
Fahrzeug. Vehicle.
Bei vielen Arbeitsvorrichtungen und insbesondere im Bereich der In many work devices and in particular in the field of
Fahrzeugtechnik werden Vorrichtungen eingesetzt, die auf dem Betrieb eines elektronisch kommutierten Motors beruhen. Dabei ist der Betrieb derartiger Vorrichtungen und ihrer zu Grunde liegenden Motoren davon abhängig, dass ein bestimmter Betriebstemperaturbereich eingehalten wird. Dies ist insbesondere bei Pumpen als Vorrichtungen von hoher Relevanz, weil ein Unterschreiten des Betriebstemperaturbereichs zu einem Einfrieren der zu Grunde liegenden Vorrichtung wegen des Erstarrens des geförderten Mediums führen kann. Vehicle technology devices are used, which are based on the operation of an electronically commutated motor. In this case, the operation of such devices and their underlying engines is dependent on a specific operating temperature range being met. This is of particular relevance in the case of pumps as devices, because a drop below the operating temperature range can lead to a freezing of the underlying device due to the solidification of the pumped medium.
Die DE 10 2010 035 039 A1 beschreibt eine Pumpe mit einem Elektromotor sowie ein Verfahren zum Einschalten einer derartigen Pumpe, bei welchen es vorgesehen ist, Statorwicklungen des Pumpenmotors in einem Heizmodus derart anzusteuern, dass durch Ohmsche Verluste die Pumpe beheizbar ist. DE 10 2010 035 039 A1 describes a pump with an electric motor and a method for switching on such a pump, in which it is provided to drive stator windings of the pump motor in a heating mode in such a way that the pump can be heated by ohmic losses.
Die DE 10 2012 206 822 A1 beschreibt ein Verfahren zur Erwärmung eines Fluids mittels eines Steuergeräts zur Ansteuerung eines bürstenlosen DE 10 2012 206 822 A1 describes a method for heating a fluid by means of a control device for controlling a brushless
Gleichstrommotors bei einer Pumpe oder dergleichen. DC motor in a pump or the like.
Offenbarung der Erfindung Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren für einen elektronisch kommutierten Motor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass mit einfachen Mitteln und ohne apparativen Mehraufwand ein besonders zuverlässiges Erwärmen eines elektronisch kommutierten Motors und einer zu Grunde liegenden Vorrichtung erreicht werden kann. Dies wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch erreicht, dass ein Disclosure of the invention The operating method according to the invention for an electronically commutated motor with the features of claim 1 has the advantage that can be achieved by simple means and without additional equipment, a particularly reliable heating of an electronically commutated motor and an underlying device. This is inventively achieved with the features of claim 1 characterized in that a
Betriebsverfahren für einen elektronisch kommutierten Motor oder für einen bürstenlosen Gleichstrommotor einer Vorrichtung und insbesondere einer Pumpe geschaffen wird, mit einem Antriebsbetriebsmodus, in welchem der Motor mit einer Antriebsbetriebsspannung als Betriebsspannung zum Verrichten mechanischer Arbeit beaufschlagt wird, und mit einem Heizbetriebsmodus, in welchem der Motor mit einer Heizbetriebsspannung als Betriebsspannung zum Heizen ohne Verrichten mechanischer Arbeit beaufschlagt wird, wobei durch Beaufschlagen mit der Heizbetriebsspannung in einer Wicklung oder in mehreren Wicklungen des Motors ein hochfrequenter elektrischer Wechselstrom und infolge ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld erzeugt werden. Auf Grund des erzeugten hochfrequenten magnetischen Wechselfeldes werden neben den Ohmschen Verlusten in der den Strom tragenden Wicklung des Motors in der Umgebung der Wicklung und insbesondere in zumindest teilweise elektrisch leitfähigen Umgebungsmaterialien auf Grund des Wechselcharakters des magnetischen Feldes Wirbelströme induziert, die auf Grund entsprechender Verluste einen weiteren Wärmeeintrag bewirken, so dass insgesamt eine bessere und/oder schnellere Durchwärmung erreicht wird. Operating method for an electronically commutated motor or for a brushless DC motor of an apparatus and in particular a pump is provided with a drive mode in which the motor is supplied with a drive operating voltage as an operating voltage for performing mechanical work, and with a heating mode in which the motor with a Heizbetriebsspannung is applied as operating voltage for heating without performing mechanical work, being produced by applying the heating operating voltage in one winding or in a plurality of windings of the motor, a high-frequency electrical alternating current and as a result of a high-frequency alternating magnetic field. Due to the generated high-frequency magnetic alternating field eddy currents are induced in addition to the Ohmic losses in the current-carrying winding of the motor in the vicinity of the winding and in particular in at least partially electrically conductive surrounding materials due to the alternating nature of the magnetic field eddy currents due to corresponding losses Heat input effect, so that overall better and / or faster heating is achieved.
Vorangehend und nachfolgend wird unter einem elektrisch oder elektronisch kommutierten Motor ein Synchronmotor verstanden, welcher mittels einer Umrichterelektronik angesteuert und betrieben wird. Ein derartiger Motor wird auch als EC-Motor (EC : englisch für "electronic commutation") bezeichnet. Da bei einem derartigen Motor die für die Kommutierung bei konventionellen Gleichstrommotoren notwendigen Bürsten fehlen, wird ein derartiger Motor auch als auch als BLDC-Motor (BLDC : englisch für "brushless direct current") oder manchmal missverständlich auch als bürstenloser Gleichstrommotor bezeichnet. Da häufig der Rotor eines derartigen Motors aus einer Anordnung von Above and below, an electrically or electronically commutated motor is understood to mean a synchronous motor which is controlled and operated by means of a converter electronics. Such a motor is also referred to as EC motor (EC: English for "electronic commutation"). Since in such a motor, the necessary for the commutation in conventional DC motors brushes missing, such a motor is also referred to as BLDC engine (BLDC: English for "brushless direct current") or sometimes misleading as a brushless DC motor. As often the rotor of such a motor from an array of
Permanentmagneten besteht, findet sich auch der Begriff PM-Motor (PM : Permanent magnet, there is also the term PM motor (PM:
englisch für„permanent magnet“) als Bezeichnung für einen elektronisch kommutierten Motor. Der Stator besteht in diesem Zusammenhang aus mehreren Msgnetspulen und wird mehrphssig und insbesondere dreiphssig susgeführt. Die Kommutierung erfolgt elektrisch oder elektronisch von den entsprechend mehrphssigen und insbesondere dreiphssigen Spulensträngen 3us und z.B. unter Verwendung einer entsprechenden Brückenschsltung. EC- Motoren sind in ihrer Drehzshl einstellbsr und eignen sich z.B. zur English for "permanent magnet") as a name for an electronically commutated motor. The stator is made in this context several Msgnetspulen and is multiphased and in particular dreiphssig susgeführt. The commutation is carried out electrically or electronically by the corresponding multi-phase and in particular three-phase coil strands 3 and, for example, using a corresponding bridge circuit. EC motors are adjustable in their speed and are suitable eg for
Drehzshlregelung von Antrieben von Pumpensnordnungen oder dergleichen. Drehzshlregelung of drives of pump assemblies or the like.
Die Untersnsprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung. The subclaims show preferred developments of the invention.
Um den Wechselstromchsrakter des elektrischen Stroms und dsmit To the AC electric motor and dsmit
Wechselfeldchsrakter des erzeugten msgnetischen Feldes zu gsrantieren, ist es gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Gsrantieren Wechselfeldchsrakter the generated msgnetischen field, it is according to a preferred embodiment of the invention
Betriebsverfshrens vorgesehen, dsss der hochfrequente elektrische Betriebsverfshrens provided, dsss the high-frequency electrical
Wechselstrom mit einer Frequenz im Bereich von einer minimslen Frequenz fmin bis zu einer msximslen Frequenz fmsx erzeugt wird, insbesondere durch entsprechende Wshl von Amplitude und/oder Frequenz der AC current is generated at a frequency in the range of a minimum frequency fmin to a msximslen frequency fmsx, in particular by corresponding amplitude and / or frequency of the frequency
Heizbetriebsspsnnung. Dsbei werden die minimsle und msximsle Frequenz so gewählt, dsss in diesen Bereichen suf Grund des dem Motor zu Grunde liegenden Netzwerks und insbesondere suf Grund der induktiven Lsst ein „gleichrichtender“ Chsrskter noch nicht msnifest wird. Heizbetriebsspsnnung. In this case, the minimsle and msximsle frequencies are chosen so that a "rectifying" chip does not yet become msnifest in these areas due to the network underlying the motor and, in particular, due to the inductive state.
Bei einer besonders bevorzugten Ausgestsltungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfshrens sind die minimsle Frequenz fmin und die msximsle Frequenz fmsx sis Werte von Funktionen f 1 , f2 von der effektiven Stromsnstiegszeit Anstiegszeit xeff, der effektiven Induktivität Leff, und/oder des effektiven Ohmschen Widerstsnds Reff eines durch den elektronisch kommutierten Motor gegebenen Netzwerks definiert und/oder gegeben, insbesondere slso durch die induktive Lsst des Motors. In a particularly preferred embodiment of the method of operation according to the invention, the minimum frequency fmin and the msximsle frequency fmsx sis are values of functions f 1, f2 of the effective current rise time rise time x eff , the effective inductance L eff , and / or the effective ohmic resistance R eff defined by the electronically commutated motor network and / or given, in particular slso by the inductive Lsst the engine.
Dsbei sind insbesondere die folgenden Beziehungen (A) und (B) erfüllt: fmin — f1 (Xeff, Leff Reff) — 1 / (27T-Xeff), (A) fmax— f2(Xeff, Leff, Reff) — 1 /(4x-3rCt3nh(imax' Reff/Umax)) <:" 1 /( (4x) · (Umax/ imax' Reff), (B) wobei Umax und imax die Spsnnungssmplitude und die Stromsmplitude bezeichnen und noch die Beziehung (C) Xeff - Leff / Reff (C) für die effektive Stromanstiegszeit xeff gilt. Specifically, the following relationships (A) and (B) are satisfied: f min - f 1 (Xeff, Leff Reff) - 1 / (27T-Xeff), (A) fmax - f2 (Xeff, Leff, Reff) - 1 / ( 4x-3rCt3nh (imax 'Reff / Umax)) <: " 1 / ((4x) * (Umax / imax' Reff), (B) where U max and i max denote the amplitude of the amplitude and the current amplitude and still the relationship (C ) Xeff - L eff / Reff (C) x eff applies to the effective current rise time.
Dabei kann es insbesondere vorgesehen sein, dass gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens ein It may be provided in particular that, according to an advantageous embodiment of the operating method according to the invention a
hochfrequenter elektrischer Wechselstrom mit einer Frequenz im Bereich von etwa 1 kHz bis etwa 6 kHz erzeugt wird. high frequency alternating electrical current having a frequency in the range of about 1 kHz to about 6 kHz is generated.
Dies kann zum Beispiel auf der Grundlage einer Heizbetriebsspannung in Form einer hochfrequenten Wechselspannung mit einer entsprechenden Frequenz und einer gegebenenfalls geeignet gewählten Amplitude erreicht werden. This can be achieved, for example, on the basis of a heating operating voltage in the form of a high-frequency alternating voltage with a corresponding frequency and an optionally suitably selected amplitude.
Als erregende Heizbetriebsspannung kann eine sinusförmige oder eine rechteckförmige Heizbetriebsspannung als Betriebsspannung für den As exciting heating operating voltage, a sinusoidal or a rectangular heating operating voltage as the operating voltage for the
Heizbetriebsmodus verwendet werden. Grundsätzlich sind für den Heating mode can be used. Basically, for the
erfindungsgemäßen Einsatz sämtliche Heizbetriebsspannungen mit use according to the invention all heating operating voltages
Wechselspannungscharakter denkbar. AC voltage character conceivable.
Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn die jeweilige Heizbetriebsspannung als Betriebsspannung und/oder der damit erzeugte jeweilige hochfrequente elektrische Wechselstrom ihr Vorzeichen wechseln. It is particularly advantageous if the respective heating operating voltage as the operating voltage and / or the respective high-frequency alternating electric current generated thereby change their sign.
Für eine besonders gute und gleichmäßige Durchwärmung ist es besonders geeignet bei einem Mehrphasenmotor im Heizbetriebsmodus eine Mehrzahl von Phasen des elektronisch kommutierten Motors einzeln oder gruppenweise vom hochfrequenten elektrischen Wechselstrom zu beaufschlagen. For a particularly good and uniform heating, it is particularly suitable for a multi-phase motor in Heizbetriebsmodus a plurality of phases of the electronically commutated motor individually or in groups act on the high-frequency electrical alternating current.
Dabei können zur weiteren Steigerung einer gleichmäßigen Erwärmung im Laufe einer vorgegebenen Zeitspanne mehrere, die meisten oder sämtliche Phasen des elektronisch kommutierten Motors zumindest temporär mit dem In this case, to further increase uniform heating over a given period of time, several, most or all phases of the electronically commutated motor at least temporarily with the
hochfrequenten Wechselstrom beaufschlagt werden. Dabei wird angenommen, dass die Leiter oder Wicklungen zu unterschiedlichen Phasen auch räumlich zu einander unterschiedlich gelagert und angeordnet sind, so dass sich mit der Erregung unterschiedlicher Phasen eine größere räumliche Verteilung des Wärmeeintrags einstellt. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird auch eine Steuereinheit zum Steuern des Betriebs eines elektronisch kommutierten Motors oder eines bürstenlosen Gleichstrommotors einer Vorrichtung und insbesondere einer Pumpe geschaffen. Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, ein high-frequency alternating current are applied. In this case, it is assumed that the conductors or windings are also stored and arranged spatially different from one another at different phases, so that a greater spatial distribution of the heat input is established with the excitation of different phases. According to another aspect of the present invention, there is also provided a control unit for controlling the operation of an electronically commutated motor or brushless DC motor of an apparatus, and more particularly, a pump. The control unit is set up to
erfindungsgemäßes Betriebsverfahren zu steuern, auszuführen oder in seiner Ausführung zu veranlassen oder mit einem derartigen Betriebsverfahren verwendet zu werden. In accordance with the invention, to control, carry out, or carry out an operating method according to the invention or to be used with such an operating method.
Eine erfindungsgemäße Steuereinheit kann zum Beispiel als Teil eines übergeordneten Motorsteuergeräts eines Antriebsaggregates und dergleichen ausgebildet sein. A control unit according to the invention can be designed, for example, as part of a higher-level engine control unit of a drive unit and the like.
Alternativ dazu ist es denkbar, dass die Steuereinheit separat zu einem übergeordneten Motorsteuergerät ausgebildet ist und insbesondere mit diesem zusammen wirkt. Alternatively, it is conceivable that the control unit is formed separately to a higher-level engine control unit and in particular acts together with this.
Ferner ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung auch eine Vorrichtung mit einem elektronisch kommutierten Motor und mit einer erfindungsgemäßen Steuereinheit zur Steuerung des Betriebs des elektronisch kommutierten Motors. Furthermore, the subject of the present invention is also a device with an electronically commutated motor and with a control unit according to the invention for controlling the operation of the electronically commutated motor.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann als Pumpe, als Kraftstoffpumpe für einen Verbrennungsmotor und/oder als Wassereinpumpe in einem The device according to the invention can be used as a pump, as a fuel pump for an internal combustion engine and / or as a water pump in one
Wassereinspritzsystem für einen Verbrennungsmotor oder als Teil davon ausgebildet sein. Be formed water injection system for an internal combustion engine or as part thereof.
Ferner werden durch die vorliegende Erfindung auch eine Arbeitsvorrichtung und insbesondere ein Fahrzeug geschaffen. Die erfindungsgemäße Furthermore, the present invention also provides a working device and in particular a vehicle. The inventive
Arbeitsvorrichtung ist mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung als Aggregat ausgebildet. Working device is formed with a device according to the invention as an aggregate.
Kurzbeschreibung der Figuren Brief description of the figures
Unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben. Figuren 1 und 2 zeigen schematisch den Aufbau einer Wassereinspritzung, welche im Zusammenhang mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens betrieben werden kann. Embodiments of the invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Figures 1 and 2 show schematically the structure of a water injection, which can be operated in connection with an embodiment of the method according to the invention.
Figur 3 zeigt schematisch einen Aufbau einer FIG. 3 shows schematically a structure of a
Wasserdirekteinspritzung, welche mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens betrieben werden kann.  Direct water injection, which can be operated with an embodiment of the method according to the invention.
Figur 4 zeigt schematisch nach Art eines Blockdiagramms ein FIG. 4 shows schematically in the manner of a block diagram
Teilsystem für eine Pumpenansteuerung, welches auf der Grundlage der erfindungsgemäßen Prinzipien aufgebaut sein und betrieben werden kann.  Subsystem for a pump control, which can be constructed and operated on the basis of the principles of the invention.
Figuren 5A und 5B zeigen Graphen mit dem zeitlichen Verlauf einer FIGS. 5A and 5B show graphs with the time course of a graph
Heizbetriebsspannung und einen sich ergebenden hochfrequenten Strom in der Wicklung eines zu Grunde liegenden elektronisch kommutierten Motors.  Heating operating voltage and a resulting high-frequency current in the winding of an underlying electronically commutated motor.
Figur 6 zeigt schematisch eine Ansteuereinheit als Teil einer FIG. 6 schematically shows a drive unit as part of a drive unit
übergeordneten Steuereinheit.  parent control unit.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung Preferred embodiments of the invention
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 6 Hereinafter, with reference to FIGS. 1 to 6
Ausführungsbeispiele der Erfindung und der technische Hintergrund im Detail beschrieben. Gleiche und äquivalente sowie gleich oder äquivalent wirkende Elemente und Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und Komponenten wiedergegeben. Embodiments of the invention and the technical background described in detail. Identical and equivalent as well as equivalent or equivalent elements and components are designated by the same reference numerals. Not in every case of their occurrence, the detailed description of the designated elements and components is reproduced.
Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form voneinander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen. The illustrated features and other properties can be isolated in any form from each other and combined with each other, without departing from the gist of the invention.
Die Figuren 1 und 2 zeigen schematisch den Aufbau einer Wassereinspritzung - aufgefasst als erfindungsgemäß ausgestaltete Vorrichtung 100 - welche im Zusammenhang mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens betrieben werden kann. Figures 1 and 2 show schematically the structure of a water injection - conceived as inventively designed device 100 - which in Can be operated in connection with an embodiment of the method according to the invention.
In Figur 1 ist eine übergeordnete erfindungsgemäße Arbeitsvorrichtung 1 dargestellt. Diese kann zum Beispiel ein Fahrzeug sein. In dieser FIG. 1 shows a superimposed working device 1 according to the invention. This can be for example a vehicle. In this
erfindungsgemäßen Arbeitsvorrichtung 1 ist im Zusammenhang mit einem Wasserbehälter 108 und einer Anordnung aus Versorgungsleitung 102 mit Filter 109 und weiterführender Druckleitung 103 eine erfindungsgemäße Vorrichtung 100 mit einem elektronisch kommutierten Motor 10 zum Beispiel nach Art einer allgemeinen Pumpe 101 oder speziell einer Wassereinpumpe ausgebildet. Working device 1 according to the invention is designed in connection with a water tank 108 and an arrangement of supply line 102 with filter 109 and continuing pressure line 103, a device 100 according to the invention with an electronically commutated motor 10, for example in the manner of a general pump 101 or especially a water pump.
Die Vorrichtung 100 mit dem elektronisch kommutierten Motor 10 wird über eine Erfassungs- und Steuerleitung 21 mittels einer erfindungsgemäß ausgebildeten Steuereinheit 20 gesteuert. Die Steuereinheit 20 ist dazu eingerichtet, den elektronisch kommutierten Motor 10 zu einem erfindungsgemäßen Betrieb zu veranlassen und zu steuern. The device 100 with the electronically commutated motor 10 is controlled via a detection and control line 21 by means of a control unit 20 designed according to the invention. The control unit 20 is adapted to cause the electronically commutated motor 10 to operate according to the invention and to control.
An der in Figur 1 dargestellten Druckleitung 103 ist ein Verteiler 104 für eine Mehrzahl von Wassereinspritzventilen oder allgemeinen Ventilen ausgebildet. Der Verteiler 104 wird auch als Rail bezeichnet. On the pressure line 103 shown in Figure 1, a manifold 104 is formed for a plurality of water injection valves or general valves. The distributor 104 is also referred to as a rail.
Bei der Arbeitsvorrichtung 1 gemäß der Ausführungsform aus Figur 2 ist im Detail dargestellt, dass das Ventil oder Wassereinspritzventil 105 in einem Saugrohr 106 eines Verbrennungsmotors mit Brennraum 107 angeordnet ist. In the working device 1 according to the embodiment of Figure 2 is shown in detail that the valve or water injection valve 105 is disposed in a suction pipe 106 of an internal combustion engine with combustion chamber 107.
Figur 3 zeigt schematisch den Aufbau einer Arbeitsvorrichtung 1 mit Figure 3 shows schematically the structure of a working device 1 with
Wasserdirekteinspritzung, welche mit einer Ausführungsform des Direct water injection, which with an embodiment of the
erfindungsgemäßen Verfahrens betrieben werden kann. inventive method can be operated.
In Abwandlung der in Figur 1 dargestellten Anordnung ist in Fortführung der Druckleitung 103 eine Abfolge aus Hochdruckpumpe 11 1 , In a modification of the arrangement shown in Figure 1 is in continuation of the pressure line 103, a sequence of high-pressure pump 11 1,
Kraftstoffhochdruckleitung 1 13 und Kraftstoffverteilerohr 1 14 für einen oder eine Mehrzahl von Hochdruckinjektoren 115 zur Beschickung eines Brennraums 107 ausgebildet. Während die Druckleitung 103 mit dem darin ausgebildeten Dosierventil 1 10 der Zufuhr von Wasser aus dem Tank 108 dient, wird über eine zusätzliche Kraftstoffversorgungsleitung 1 12 die Hochdruckpumpe 11 1 mit Kraftstoff beschickt, wodurch stromabwärts von der Hochdruckpumpe 11 1 ein Kraftstoff-Wassergemisch zur Speisung des Verteilers 1 14 vorliegt. High-pressure fuel line 1 13 and fuel rail 1 14 for one or a plurality of Hochdruckinjektoren 115 for charging a combustion chamber 107 is formed. While the pressure line 103 with the metering valve 1 10 formed therein serves to supply water from the tank 108, the high-pressure pump 11 1 is connected via an additional fuel supply line 12 Fuel is supplied, whereby downstream of the high-pressure pump 11 1, a fuel-water mixture for feeding the distributor 1 14 is present.
Figur 4 zeigt schematisch nach Art eines Blockdiagramms ein Teilsystem für eine Pumpenansteuerung, welches auf der Grundlage der erfindungsgemäßen Prinzipien aufgebaut und betrieben werden kann. Figure 4 shows schematically in the manner of a block diagram a subsystem for a pump control, which can be constructed and operated on the basis of the inventive principles.
Eine Steuereinheit 20 ist über eine Erfassungs- und Steuerleitung 21 mit einer Vorrichtung 100 und insbesondere einer Pumpe 101 und deren Motor 10 im Sinne eines elektronisch kommutierten Motors verbunden. Die Pumpe 101 ist eingangsseitig wieder mit einer Versorgungsleitung 102 und ausgangsseitig mit einer Druckleitung 103 verbunden. A control unit 20 is connected via a detection and control line 21 with a device 100 and in particular a pump 101 and the motor 10 in the sense of an electronically commutated motor. The pump 101 is again connected on the input side to a supply line 102 and on the output side to a pressure line 103.
In der in Figur 4 gezeigten Darstellung ist die Steuereinheit 20 zum Beispiel einem Motorsteuergerät 30 nachgeordnet und mit diesem über eine Schnittstelle 31 gekoppelt und wirkverbunden. In the illustration shown in FIG. 4, the control unit 20 is arranged, for example, downstream of an engine control unit 30 and coupled thereto and operatively connected via an interface 31.
Optional kann die Steuereinheit 20 auch als Teil einer übergeordneten Optionally, the controller 20 may also be part of a parent
Steuereinheit 35 ausgebildet sein, zum Beispiel auch als Teil eines Control unit 35 may be formed, for example, as part of a
Motorsteuergeräts. Engine control unit.
Die Figuren 5A und 5B zeigen Graphen 50 und 60 mit dem zeitlichen Verlauf einer Heizbetriebsspannung U(t) und eines sich ergebenden hochfrequenten Stroms l(t) in der Wicklung eines zu Grunde liegenden elektronisch kommutierten Motor 10. Zu erkennen ist, dass aufgrund der Amplitude und der Frequenz der sich zeitlich ändernden Spannung U(t) ein entsprechender Wechselstrom l(t) in der jeweils beaufschlagten Wicklung des elektronisch kommutierten Motors 10 entsteht, wodurch ein entsprechendes magnetisches Wechselfeld erzeugt wird, welches in der Umgebung in entsprechenden Materialien zu FIGS. 5A and 5B show graphs 50 and 60 with the time profile of a heating operating voltage U (t) and a resulting high-frequency current I (t) in the winding of an underlying electronically commutated motor 10. It can be seen that due to the amplitude and the frequency of the time-varying voltage U (t) a corresponding alternating current l (t) in the respective applied winding of the electronically commutated motor 10 is formed, whereby a corresponding alternating magnetic field is generated, which in the environment in corresponding materials to
Wirbelstromverlusten und einer entsprechenden Erwärmung führt. Eddy current losses and a corresponding heating leads.
In den Graphen 50 und 60 der Figuren 5A und 5B ist auf den Abszissen 51 bzw. 61 die Zeit aufgetragen. Die Ordinaten 52 und 62 tragen die Spannung U(t) bzw. den Strom l(t); die jeweiligen Spuren 53 bzw. 63 zeigen den zeitlichen Verlauf von Spannung U(t) bzw. Strom l(t). Figur 6 zeigt schematisch eine Ansteuereinheit 200 als Teil einer übergeordneten Steuereinheit 100 für eine erfindungsgemäße Vorrichtung 100, zum Beispiel einer Pumpe 101 , welche mit einem elektronisch kommutierten Motor 10 ausgebildet ist. Die Ansteuereinheit 200 besteht im Wesentlichen aus einer B6- Brücke mit drei Halbbrücken 201 , 202 und 203, welche mit ersten bis dritten Strängen des elektronisch kommutierten Motors 10 und also mit entsprechenden Phasen verbunden ist. In the graphs 50 and 60 of Figs. 5A and 5B, time is plotted on the abscissa 51 and 61, respectively. The ordinates 52 and 62 carry the voltage U (t) and the current l (t); the respective tracks 53 and 63 respectively show the time profile of voltage U (t) and current I (t). FIG. 6 schematically shows a drive unit 200 as part of a higher-level control unit 100 for a device 100 according to the invention, for example a pump 101, which is designed with an electronically commutated motor 10. The drive unit 200 essentially consists of a B6 bridge with three half bridges 201, 202 and 203, which is connected to first to third lines of the electronically commutated motor 10 and thus to corresponding phases.
Über die Abgriffe 21 1 und 212 am Shunt 213 kann eine Strommessung erfolgen. About the taps 21 1 and 212 at the shunt 213 can be a current measurement.
In den den drei Phasen zugeordneten Wicklungen des elektronisch kommutierten Motors 10 entstehen - über die jeweiligen Halbbrücken 201 bis 203 angeregt - die jeweils erregenden Ströme 11 bis I3 mit entsprechenden Magnetfeldern. In the three phases associated windings of the electronically commutated motor 10 arise - excited by the respective half-bridges 201 to 203 - the respective exciting currents 11 to I3 with corresponding magnetic fields.
Diese und weitere Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden an Hand der folgenden Darlegungen weiter erläutert: These and other features and characteristics of the present invention will be further elucidated with reference to the following statements:
Im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 3 ist als eine mögliche Anwendung des erfindungsgemäßen Konzepts ein prinzipieller Aufbau eines Systems zur Wassereinspritzung als eine mögliche Maßnahme zur Reduktion der In connection with FIGS. 1 to 3, as a possible application of the concept according to the invention, a basic structure of a system for water injection is considered as a possible measure for reducing the
Klopfneigung und zur Senkung der Abgastemperaturen - aufgefasst Knock tendency and to reduce the exhaust gas temperatures - understood
erfindungsgemäße Vorrichtung 10 - gezeigt. Die Einspritzung von Wasser kann direkt in den Brennraum oder in den Ansaugtrakt des Motors erfolgen. Inventive device 10 - shown. The injection of water can take place directly into the combustion chamber or into the intake tract of the engine.
Ein derartiges System 10 zur Wassereinspritzung umfasst einen Wassertank 108 zur Speicherung und Bereitstellung von Wasser, eine Pumpe 101 im Sinne einer erfindungsgemäßen Arbeitsvorrichtung 100 mit elektronisch kommutiertem Motor 10 zur Förderung und zum Druckaufbau, einen Verteiler 104 oder ein Rail zur Speicherung und Zuführung des Wassers zu den Injektoren 105 sowie elektrisch betätigte Injektoren 105 als solche, welche zur Einspritzung des Wassers in das Saugrohr bzw. vor die Einlassventile - gemäß Figur 1 - oder in den Brennraum 107 - gemäß Figur 3 ausgebildet sind. Such a system 10 for water injection comprises a water tank 108 for storing and providing water, a pump 101 in the sense of a working device 100 according to the invention with electronically commutated motor 10 for conveying and pressure build-up, a distributor 104 or a rail for storing and supplying the water the injectors 105 and electrically operated injectors 105 as such, which are designed to inject the water into the intake manifold or before the intake valves - according to Figure 1 - or into the combustion chamber 107 - according to FIG.
Die Druckregelung erfolgt wahlweise über die Drehzahl der Pumpe 101 in Kombination mit einem Drucksensor, über eine Blende in Kombination mit einem Drucksensor oder mittels eines mechanisch oder elektrisch betätigbaren Druckreglers oder Druckbegrenzers, optional in Kombination mit einem The pressure is controlled either via the speed of the pump 101 in combination with a pressure sensor, via a diaphragm in combination with a pressure sensor or by means of a mechanically or electrically actuated Pressure regulator or pressure limiter, optionally in combination with a
Drucksensor. Pressure sensor.
Eine Besonderheit eines Wassereinspritz- oder Wl-Systems im Sinne einer erfindungsgemäßen Arbeitsvorrichtung 100 ist die Gefahr einer Vereisung der wasserführenden Komponenten, die sich auf Grund des verwendeten Mediums Wasser mit einem Gefrierpunkt im Bereich von 0° ergibt. A special feature of a water injection or WL system in the sense of a working device 100 according to the invention is the risk of icing of the water-bearing components, which results due to the medium used water with a freezing point in the range of 0 °.
Um das System auch bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes betreiben zu können bzw. um ein bereits eingefrorenes System möglichst schnell durch Auftauen reaktivieren zu können, ist im Allgemeinen eine Heizung erforderlich. In order to operate the system even at temperatures below freezing or to be able to reactivate an already frozen system as quickly as possible by thawing, heating is generally required.
Für ein schnelles Aufheizen des Systems sind dabei eine möglichst große Heizleistung und eine gleichmäßige Verteilung des Wärmeeintrags erforderlich. For a rapid heating of the system while a maximum heating capacity and a uniform distribution of heat input are required.
Obwohl die vorliegende Erfindung grundsätzlich bei sämtlichen mit einem Elektromotor 10 betriebenen Vorrichtungen 100 einsetzbar ist, betrachtet die nachfolgende Darstellung insbesondere das Aufheizen einer Wasserpumpe 101. Although the present invention is basically applicable to all devices 100 operated by an electric motor 10, the following description particularly considers the heating of a water pump 101.
Durch Ausnutzung der internen elektrischen Verluste im zu Grunde liegenden Elektromotor 10 im Allgemeinen und im Pumpenmotor im Speziellen kann eine elektrische Pumpe 101 und ein Antriebsmotor 10 im allgemeinen auch ohne zusätzliche externe Heizung erwärmt werden. By utilizing the internal electrical losses in the underlying electric motor 10 in general and in the pump motor in particular, an electric pump 101 and a drive motor 10 can generally also be heated without additional external heating.
Das Motor- und/oder Pumpensteuergerät 20 steuert den Motor 10 oder die Pumpe 101 herkömmlicherweise dabei so an, dass ein zeitlich konstanter Strom in den jeweiligen Spulenwicklungen des Antriebsmotors 10 oder Pumpenmotors fließt, dabei aber kein magnetisches Wechsel- oder Drehfeld erzeugt wird, d.h. ohne ein Verrichten mechanischer Arbeit. The motor and / or pump controller 20 conventionally controls the motor 10 or the pump 101 so that a constant time current flows in the respective coil windings of the drive motor 10 or pump motor, but no magnetic alternating or rotating field is generated, i. without doing mechanical work.
Es entstehen also Ohmsche Verluste in den Spulenwicklungen des jeweiligen Motors 10 und insbesondere Pumpenmotors, welche den Motor 10, die umgebende Vorrichtung 100 und insbesondere die Pumpe 101 erwärmen, ohne dass es zu einem mechanischen Antrieb des Motors 10 und damit der This results in ohmic losses in the coil windings of the respective motor 10 and in particular pump motor, which heat the motor 10, the surrounding device 100 and in particular the pump 101, without causing a mechanical drive of the motor 10 and thus the
Vorrichtung 100 kommt. Limitierend für die einsetzbare Heizleistung sind beim bisherigen Vorgehen die starke lokale Erwärmung der Spulen und die Begrenzung des maximal zulässigen Stroms durch das Steuergerät. Device 100 is coming. The limiting factor for the usable heating capacity in the previous procedure is the strong local heating of the coils and the limitation of the maximum permissible current through the control unit.
Die vorliegende Erfindung verbessert ein derartiges Heizverfahren im Hinblick auf eine höhere Heizleistung und hinsichtlich eines gleichmäßigeren The present invention improves such a heating method in terms of higher heating performance and smoother
Wärmeeintrags. Heat input.
Die vorliegende Erfindung beschreibt somit auch ein Verfahren zum Aufheizen einer elektrischen Wasserpumpe 101 unter Verwendung des The present invention thus also describes a method for heating an electric water pump 101 using the
Pumpensteuergeräts 20, wobei erfindungsgemäß gegenüber bekannten Pump controller 20, wherein the invention over known
Verfahren eine höhere Heizleistung und ein gleichmäßigerer Wärmeeintrag durch Beheizung eines größeren Volumens - zum Beispiel eines Blechpakets des zu Grunde liegenden elektronisch kommutierten Motors - erzielt werden. Dies ermöglicht erfindungsgemäß ein schnelleres Aufheizen des Motors 10, der umgebenden Vorrichtung 100 und insbesondere einer Pumpe 101 und folglich eine frühere Betriebsbereitschaft des Systems bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes. Method, a higher heat output and a more uniform heat input by heating a larger volume - for example, a laminated core of the underlying electronically commutated motor - can be achieved. This allows, according to the invention, a faster heating of the engine 10, of the surrounding device 100 and in particular of a pump 101 and consequently of an earlier readiness for operation of the system at temperatures below the freezing point.
Ein beispielhaft betrachtetes Teilsystem kann aus einer elektrischen An exemplary considered subsystem may consist of an electrical
Wasserpumpe 101 , die auch als BLDC-Pumpe - d.h. mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor 10 betrieben - ausgeführt sein kann, einem Water pump 101, also called BLDC pump - i. operated with a brushless DC motor 10 - can be executed, a
Pumpensteuergerät 20 sowie einem übergeordneten Steuergerät 30, 35, im hier betrachteten Fall dem Motorsteuergerät, bestehen, wie dies im Zusammenhang mit Figur 4 dargestellt ist. Pump control unit 20 and a higher-level control unit 30, 35, in the case considered here the engine control unit, consist, as shown in connection with Figure 4.
Im Normalbetrieb steuert das Pumpensteuergerät 20 den Pumpenmotor 10 so an, dass ein Drehmoment zum Betrieb der Pumpe 101 erzeugt wird. In normal operation, the pump controller 20 controls the pump motor 10 to generate a torque for operating the pump 101.
Hierbei sind verschiedene Verfahren oder Betriebsweisen möglich. Denkbar ist dabei ein drehzahlgeregelter Betrieb des Motors 10 und insbesondere der zu Grunde liegenden Pumpe 101. Here, various methods or modes are possible. Conceivable is a speed-controlled operation of the engine 10 and in particular the underlying pump 101st
Im so genannten Heizbetrieb steuert das Pumpensteuergerät 20 den Motor 10 und die Pumpe 101 erfindungsgemäß so an, dass ein hochfrequenter elektrischer Strom in den Spulenwicklungen des Motors 10 oder Pumpenmotors erzeugt wird. Dies kann z.B. durch hochfrequente rechteckförmige oder sinusförmige In the so-called heating operation, the pump controller 20 controls the motor 10 and the pump 101 according to the invention so that a high-frequency electric current is generated in the coil windings of the motor 10 or pump motor. This can be done, for example, by high-frequency rectangular or sinusoidal
Spannungsverläufe in der Versorgungsspannung erreicht werden. Beispielhafte Spannungs- und Stromverläufe sind in den Figuren 5A und 5B dargestellt. Voltage curves in the supply voltage can be achieved. Exemplary voltage and current profiles are shown in FIGS. 5A and 5B.
Der durch das Zuführen der Spannung so erzeugte Wechselstrom in den Spulenwicklungen induziert ein ebenfalls hochfrequentes magnetisches The alternating current thus generated in the coil windings by the supply of the voltage also induces high-frequency magnetic
Wechselfeld. Dieses induziert schließlich seinerseits Wirbelströme in sämtlichen Materialbereichen und insbesondere im Blechpaket des zu Grunde liegenden Motors 10 sowie in weiteren eventuell vorhandenen elektrisch leitfähigen Teilen in der Pumpe 101. Alternating field. This in turn finally induces eddy currents in all areas of the material and in particular in the laminated core of the underlying motor 10 as well as in any further electrically conductive parts in the pump 101.
Des Weiteren entstehen im Eisen Hystereseverluste in Folge des Durchlaufens der magnetischen Hystereseschleife. Furthermore, hysteresis losses occur in the iron as a result of passing through the magnetic hysteresis loop.
Die damit im Zusammenhang stehenden Verluste werden als The related losses are considered
Ummagnetisierungsverluste oder Eisenverluste bezeichnet und wirken insbesondere bei hochfrequenter Anregung. Re-magnetization losses or iron losses are called and act especially in high-frequency excitation.
Der Wärmeeintrag in den Motor 10, die Vorrichtung 100 und insbesondere die Pumpe 101 erfolgt nun zum einen durch Ohmsche Verluste in den The heat input into the motor 10, the device 100 and in particular the pump 101 is now on the one hand by Ohmic losses in the
Spulenwicklungen des antreibenden Motors 10 sowie erfindungsgemäß durch zusätzliche Eisenverluste im Blechpaket und ggf. weiteren leitfähigen Teilen. Coil windings of the driving motor 10 and according to the invention by additional iron losses in the laminated core and possibly other conductive parts.
Somit wird erfindungsgemäß ein gleichmäßigerer Wärmeeintrag als bei Thus, according to the invention, a more uniform heat input than at
Verwendung eines konstanten Stroms erzielt. Bei gleicher Erwärmung der Spulenwicklungen kann so eine höhere Gesamtheizleistung erreicht werden. Using a constant current achieved. With the same heating of the coil windings, a higher overall heating power can thus be achieved.
Die oben beschriebene Erzeugung eines hochfrequenten magnetischen The above-described generation of a high-frequency magnetic
Wechselfelds kann auf unterschiedliche Weise realisiert werden. Alternating field can be realized in different ways.
Beispielsweise kann ein hochfrequenter Wechselstrom, wie in Figur 5B dargestellt ist, in einer der elektrischen Phasen U, V und W erzeugt werden. Die jeweils bestromten Phasen U, V und W des zu Grunde liegenden Motors 10 können dabei zyklisch durchgewechselt werden, um eine möglichst gleichmäßige Erwärmung zu erzielen. Alternativ kann auch ein magnetisches Drehfeld eingeprägt werden, das alle Phasen U, V und W des Motors gleichzeitig einbezieht. For example, a high-frequency alternating current, as shown in FIG. 5B, can be generated in one of the electrical phases U, V and W. The respective energized phases U, V and W of the underlying motor 10 can be cyclically changed through to a uniform as possible To achieve warming. Alternatively, a magnetic rotating field can be impressed, which includes all phases U, V and W of the motor simultaneously.
Die Leistungsendstufe des Pumpensteuergeräts 20 ist typischerweise als Steuereinheit 200 nach Art einer B6-Halbbrückenschaltung ausgeführt, wie dies im Zusammenhang mit Figur 6 gezeigt ist. The power output stage of the pump control unit 20 is typically designed as a control unit 200 in the manner of a B6 half-bridge circuit, as shown in connection with Figure 6.
Diese kann zur Erzeugung eines hochfrequenten Wechselstroms genutzt werden, indem eine feste Halbbrückenkombination wechselseitig auf den hohen Pegel HIGH und auf den Pegel LOW - z.B. im 3 kHz Takt - umgeschaltet wird, also Halbbrücke 201 zunächst 0,166 ms auf dem hohen Pegel (HIGH), 202 solange auf einem niedrigen Pegel (LOW), dann 201 auf dem niedrigen Pegel (LOW) für 0,166 ms und 202 auf dem hohen Pegel high gehalten werden. This can be used to generate a high frequency alternating current by switching a fixed half-bridge combination mutually to the high level HIGH and to the level LOW - e.g. in the 3 kHz clock - is switched, so half bridge 201 first 0.166 ms at the high level (HIGH), 202 while at a low level (LOW), then 201 at the low level (LOW) for 0.166 ms and 202 at the high level be kept high.
Zur Einstellung der Stromstärke kann dieses Schaltmuster mit einer To adjust the current, this switching pattern with a
höherfrequent getakteten Pulsweitenmodulation von z.B. 20 kHz zur higher frequency clocked pulse width modulation of e.g. 20 kHz to
Stromregelung überlagert werden. Current control are superimposed.
Alternativ sind auch abweichende Ansteuermuster möglich, denen aber gemein ist, dass sie einen Wechselstrom durch die Motorwicklungen treiben. Alternatively, deviating control patterns are possible, but they have in common that they drive an alternating current through the motor windings.
Das beschriebene Verfahren ist für BLDC-Motoren 10 unterschiedlicher Bauform anwendbar. Typischerweise sind diese als permanenterregte Synchronmotoren ausgeführt, aber auch Asynchronmotoren sind möglich. Das Verfahren ist dabei für dreisträngige Drehfeld motoren in Stern- oder Dreieckschaltung anwendbar. Ebenso können auch Motoren mit anderen Strangzahlen als drei verwendet werden. Das beschriebene Verfahren ist darüber hinaus auch für DC-Motoren 10 (Gleichstrommotoren) anwendbar, wenn diese mit einem Steuergerät betrieben werden. The described method is applicable to BLDC motors 10 of different designs. Typically, these are designed as permanent-magnet synchronous motors, but also asynchronous motors are possible. The method is applicable for three-phase rotating field motors in star or delta connection. Likewise, motors with strand numbers other than three can also be used. The method described is also applicable to DC motors 10 (DC motors), if they are operated with a control unit.
Ein mögliches Beispiel ist hier eine bedarfsgeregelte DC-Kraftstoffpumpe 101. Der Anwendungsbereich des Verfahrens ist nicht auf Pumpen 101 für die Wassereinspritzung beschränkt. Grundsätzlich ist eine Verwendung für alle BLDC- oder DC-Pumpen 101 oder Motoren 10 möglich, wenn eine gezielte Erwärmung der Pumpe 101 oder des Motors 10 im Stillstand gewünscht ist. Ein möglicher Anwendungsfall sind beispielsweise Kraftstoff- und insbesondere Ethanol- oder Dieselpumpen. Das Medium der Pumpe muss dabei nicht notwendiger weise gefroren sein. Bei ausreichend hoher Frequenz der Anregung und einem geeigneten Ansteuerverfahren (wie oben beschrieben) wird auch bei einer freigängigen Pumpe keine makroskopische Bewegung erzeugt. A possible example here is a demand-controlled DC fuel pump 101. The scope of the method is not limited to pumps 101 for water injection. Basically, a use for all BLDC or DC pumps 101 or motors 10 is possible if a targeted heating of the pump 101 or the engine 10 is desired at a standstill. A possible application, for example, fuel and in particular Ethanol or diesel pumps. The medium of the pump does not necessarily have to be frozen. With a sufficiently high frequency of excitation and a suitable driving method (as described above) no macroscopic movement is produced even with a free-pump.
Im Folgenden werden nun noch mögliche Varianten der Integration in das Gesamtsystem beschrieben. In the following, possible variants of the integration into the overall system will now be described.
In einer Variante sendet das Motorsteuergerät 30 ein Start- und/oder Stoppsignal für den Heizbetrieb an das Pumpensteuergerät 20. Alternativ kann das In one variant, the engine control unit 30 sends a start and / or stop signal for the heating operation to the pump control unit 20. Alternatively, the
Pumpensteuergerät 20 eine blockierte und gegebenenfalls festgefrorene Pumpe 101 erkennen und an das Motorsteuergerät 30 melden oder den Heizbetrieb selbstständig starten. Das Ende des Heizbetriebs kann auch durch das  Pump controller 20 detect a blocked and possibly frozen pump 101 and report to the engine control unit 30 or start the heating independently. The end of the heating operation can also by the
Pumpensteuergerät 20 bestimmt werden. Dazu können verschiedene interne Größen - z.B. die bereits vergangene Zeit im Heizbetrieb - oder ein Test derPump controller 20 are determined. For this purpose, different internal sizes - e.g. the time already spent in heating mode - or a test of
Betriebsbereitschaft herangezogen werden. Operational readiness.
Obige Beschreibung der Erfindung konzentriert sich zwar auf Pumpen 101 mit einem dedizierten Pumpensteuergerät 20. Das beschriebene Verfahren ist jedoch in gleicher Weise anwendbar, wenn die Funktionalität des Although the above description of the invention focuses on pumps 101 with a dedicated pump controller 20. However, the method described is equally applicable if the functionality of the
Pumpensteuergeräts 20 in einem anderen Steuergerät 30, 35 (z.B. dem  Pump controller 20 in another controller 30, 35 (e.g.
Motorsteuergerät) integriert ist. Engine control unit) is integrated.

Claims

Ansprüche claims
1. Betriebsverfahren für einen elektronisch kommutierten Motor (10) einer Vorrichtung (100) und/oder einer Pumpe (101 ), 1. Operating method for an electronically commutated motor (10) of a device (100) and / or a pump (101),
- mit einem Antriebsbetriebsmodus, in welchem der Motor (10) mit einer Antriebsbetriebsspannung als Betriebsspannung zum Verrichten mechanischer Arbeit beaufschlagt wird, und  with a drive mode of operation in which the motor (10) is supplied with a drive operating voltage as an operating voltage for performing mechanical work, and
- mit einem Heizbetriebsmodus, in welchem der Motor (10) mit einer  - With a heating mode in which the engine (10) with a
Heizbetriebsspannung als Betriebsspannung zum Heizen ohne  Heating operating voltage as operating voltage for heating without
Verrichten mechanischer Arbeit beaufschlagt wird,  Performing mechanical work,
- wobei durch Beaufschlagen mit der Heizbetriebsspannung in einer  - Wherein by applying the heating operating voltage in a
Wicklung des Motors (10) ein hochfrequenter elektrischer Wechselstrom und infolge ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld erzeugt werden.  Winding of the motor (10) a high-frequency electrical alternating current and generated as a result of a high-frequency alternating magnetic field.
2. Betriebsverfahren nach Anspruch 1 , bei welchem der hochfrequente 2. Operating method according to claim 1, wherein the high-frequency
elektrische Wechselstrom mit einer Frequenz im Bereich von einer minimalen Frequenz bis zu einer maximalen Frequenz und/oder durch entsprechende Wahl von Amplitude und/oder Frequenz der  alternating electrical current having a frequency ranging from a minimum frequency to a maximum frequency and / or by appropriate selection of amplitude and / or frequency of
Heizbetriebsspannung erzeugt wird.  Heating operating voltage is generated.
3. Betriebsverfahren nach Anspruch 2, bei welchem die minimale Frequenz fmin und die maximale Frequenz fmax gegeben sind als Werte von The operating method according to claim 2, wherein the minimum frequency fmin and the maximum frequency fmax are given as values of
Funktionen f 1 , f2 von der effektiven Stromanstiegszeit xeff, der effektiven Induktivität Letf und/oder des effektiven Ohmschen Widerstands Reff eines durch den Motor (10) gegebenen Netzwerks, Functions f 1, f 2 of the effective current rise time x eff , the effective inductance L etf and / or the effective ohmic resistance R eff of a network given by the motor (10),
wobei insbesondere die folgenden Beziehungen (A) und (B) erfüllt sind: fmin — f1 (Xeff3 Leff3 Reff) — 1 / (27l*Xeff)3 (A) fmax— f2(Xeff, Leff, Reff) — 1 /(4x*3rCt3nh(imax* Reff/Umax)) ^ 1 /( (4x) * (Umax/ imax* Reff)3 (B) und wobei Umax und imax die Spannungsamplitude und die Stromamplitude bezeichnen und noch die Beziehung (C) in particular, the following relations (A) and (B) are satisfied: fmin - f1 (Xeff 3 Leff 3 Reff) - 1 / (27l * Xeff) 3 (A) fmax - f2 (Xeff, Leff, Reff) - 1 / (4x * 3rCt3nh (imax * Reff / Umax)) ^ 1 / ((4x) * (Umax / imax * Reff) 3 (B) and where U max and i max denote the voltage amplitude and the current amplitude and still the relationship (C)
Xeff - Leff / Reff (C) für die effektive Stromanstiegszeit xeff gilt. Xeff - L eff / Reff (C) x eff applies to the effective current rise time.
4. Betriebsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem ein hochfrequenter elektrischer Wechselstrom mit einer Frequenz im Bereich von etwa 1 kHz bis etwa 6 kHz erzeugt wird und/oder auf der Grundlage einer Heizbetriebsspannung in Form einer hochfrequenten Wechselspannung mit entsprechender Frequenz. 4. Operating method according to one of the preceding claims, in which a high-frequency electrical alternating current having a frequency in the range of about 1 kHz to about 6 kHz is generated and / or on the basis of a heating operating voltage in the form of a high-frequency AC voltage with a corresponding frequency.
5. Betriebsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem eine sinusförmige oder eine rechteckförmige Heizbetriebsspannung als Betriebsspannung für den Heizbetriebsmodus verwendet wird. 5. Operating method according to one of the preceding claims, in which a sinusoidal or a rectangular heating operating voltage is used as the operating voltage for the heating operation mode.
6. Betriebsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die Heizbetriebsspannung als Betriebsspannung und/oder der damit erzeugte hochfrequente elektrische Wechselstrom ihr Vorzeichen wechseln. 6. Operating method according to one of the preceding claims, wherein the heating operating voltage as the operating voltage and / or the high-frequency alternating electric current thus generated change sign.
7. Betriebsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem bei einem Mehrphasenmotor im Heizbetriebsmodus eine Mehrzahl von Phasen des Motors (10) einzeln oder gruppenweise vom hochfrequenten elektrischen Wechselstrom und/oder zur gleichmäßigen Erwärmung im Laufe einer vorgegebenen Zeitspanne sämtliche Phasen des Motors (10) zumindest temporär mit dem hochfrequenten Wechselstrom beaufschlagt werden. 7. Operating method according to one of the preceding claims, wherein in a multi-phase motor in the heating operation mode, a plurality of phases of the motor (10) individually or in groups of high frequency alternating electrical current and / or for uniform heating over a predetermined period all phases of the motor (10). be acted upon at least temporarily with the high-frequency alternating current.
8. Steuereinheit (20) zum Steuern des Betriebs eines elektronisch 8. Control unit (20) for controlling the operation of an electronic
kommutierten Motors (10) einer Vorrichtung (100) und/oder einer Pumpe (101 ), welche eingerichtet ist, ein Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen oder zu veranlassen oder bei einem derartigen Betriebsverfahren verwendet zu werden. commutated motor (10) of a device (100) and / or a pump (101), which is adapted to perform or to initiate an operating method according to one of claims 1 to 7 or to be used in such an operating method.
9. Steuereinheit (20) nach Anspruch 8, welche als Teil eines übergeordneten Motorsteuergeräts (30) eines Antriebsaggregates oder separat zu einem übergeordneten Motorsteuergerät (30) ausgebildet ist. 9. Control unit (20) according to claim 8, which is formed as part of a higher-level engine control unit (30) of a drive unit or separately to a higher-level engine control unit (30).
10. Vorrichtung (100) mit einem elektronisch kommutierten Motor (10) und mit einer Steuereinheit (20) nach einem der Ansprüche 8 oder 9 zum Steuern des Betriebs des Motors (10). 10. Device (100) with an electronically commutated motor (10) and with a control unit (20) according to any one of claims 8 or 9 for controlling the operation of the motor (10).
1 1. Vorrichtung (100) nach Anspruch 10, welche als Pumpe (101 ), als 1 1. A device (100) according to claim 10, which as a pump (101), as
Kraftstoffpumpe für einen Verbrennungsmotor und/oder als Wasserpumpe für eine Wassereinspritzung in einen Verbrennungsmotor oder als Teil davon ausgebildet ist.  Fuel pump for an internal combustion engine and / or as a water pump for a water injection in an internal combustion engine or as part thereof is formed.
12. Arbeitsvorrichtung und insbesondere Fahrzeug (1 ) mit einer Vorrichtung (100) nach Anspruch 10 oder 11. 12. work device and in particular vehicle (1) with a device (100) according to claim 10 or 11.
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