WO2020078701A1 - Gleichstrom-bürstenmotor zum antreiben eines kompressors, drucklufterzeugung und verfahren zum betreiben eines gleichstrom-bürstenmotors - Google Patents

Gleichstrom-bürstenmotor zum antreiben eines kompressors, drucklufterzeugung und verfahren zum betreiben eines gleichstrom-bürstenmotors Download PDF

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Uwe Stabenow
Reiner Bleil
Nico Herzberg
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Definitions

  • DC brush motor for driving a compressor, compressed air generation and method for operating a DC brush motor
  • the invention relates to a direct current brush motor according to the preamble of claim 1 for driving a compressor, compressed air generation with a compressor and the direct current brush motor and a method for operating a direct current brush motor according to the preamble of claim 13.
  • a DC brush motor mentioned at the outset typically has a stator, a rotor, a commutator and a number of brushes and is operated with direct current.
  • the stator is generally immovable and regularly has a hollow cylinder, to which main poles of the plurality of pole pairs mentioned at the outset, which are assigned to the stator, are attached.
  • the main poles are used to generate a magnetic field and include, for example, series-connected DC-fed main pole windings, also called excitation windings or permanent magnets.
  • a rotatably mounted rotor is arranged in the stator, which comprises one or more coils that are located in the magnetic field of the stator and form the plurality of pole pairs assigned to the rotor.
  • the coils of the rotor are wrapped around an iron core called an anchor.
  • the coils of the rotor are electrically connected to the commutator mentioned at the outset, which is generally designed to convert an AC voltage into a DC voltage. This happens because a commutator in motor operation always reverses the polarity of the voltage induced in the coils. voltage causes when the direction of the induced voltage changes. The direct voltage generated in motor operation in this way is typically speed-dependent.
  • a commutator in motor operation is energized by brushing the brush arrangement mentioned at the beginning, for example metal or carbon brushes.
  • a brush represents a sliding contact, which is typically pressed mechanically onto the commutator via a spring in order to establish an electrically conductive connection during operation.
  • a rotor If a rotor is energized via a commutator, the magnetic field generated in the coils of the rotor interacts with the magnetic field of the stator, so that the rotatably mounted rotor rotates in the stator.
  • the polarity reversal caused by the commutator ensures that the torque of the rotor always acts in the same direction.
  • Examples of a DC brush motor are a permanent magnet DC brush motor in which the stator magnetic field is generated by a permanent magnet and an electrically excited DC brush motor in which the stator magnetic field is generated by an electromagnet.
  • An electrically excited DC brush motor includes a series machine, a shunt machine, a separately excited machine and a compound machine. The latter is also called a double-lock motor.
  • DC brushed motors are used today in many areas, in particular in a vehicle as a starter motor or as a component of a compressed air supply for a vehicle, due to their comparatively high efficiency, generally uninterrupted torque output and emission-free motor operation.
  • DE 10 2012 024 400 A1 describes a limitation of an operating current of an electric motor.
  • a compressor for generating compressed air in particular for a compressed air supply system of a vehicle, is described.
  • the vehicle has an electric motor in the form of a brushed DC electric motor and a BDC electric motor Compressor, in particular a two-stage compressor with at least one first and one second compressor stage, which can be driven by the electric motor.
  • the electric motor is by means of an electronic control module of a control device with limitation of an operating current of the electric motor
  • DE 10 2012 214 122 A1 describes an electric starter motor for a starter device which has excitation windings in the stator and armature windings in the rotating armature and can be energized with brushes via a commutation device.
  • the starter motor described can be operated either with a maximum number of poles or with a reduced number of poles.
  • the starter motor described in DE 10 2012 214 122 A1 is designed as a series motor and is not operated in continuous operation, but rather in each case for a limited time during the starting process of a vehicle.
  • a DC brush motor can still be improved, in particular with regard to the limitation of an operating current and / or further running parameters of the DC brush motor, in particular if it is to be operated in continuous operation.
  • the invention sets the object of which is an improved direct current brush motor, an improved compressed air generation and an improved to provide a better method of operating a DC brush motor.
  • the DC brush motor according to the invention is designed to drive a compressor.
  • a compressor preferably for an air suspension system, a brake system or the like.
  • the invention is based on a DC brush motor of the type mentioned ge.
  • This has a stator and a rotor, each with a more number of pole pairs.
  • the rotor can be energized via a commutator and a brush arrangement with a plurality of brushes.
  • the DC brush motor also has a switching device, which is connected to the brush arrangement in a control manner, for switching an energization of one of the brushes.
  • the switching device is integrated in an operating circuit of the DC brushed motor which can be controlled by the latter.
  • the operating circuit is designed according to the invention to control the running states of the engine, the operating circuit for the running state monitoring a running parameter that determines the power consumption and / or power output of the engine, and controls the switching device as a function of the running parameter, in such a way that by means of the Switching device, the current supply to the brush can be switched when the running parameter reaches a threshold value.
  • the invention also leads to a compressed air generation of claim 12, preferably for an air suspension system, a brake system or the like.
  • the above-mentioned object is achieved by a method of claim 13 for operating a DC brush motor, in particular for operating compressed air generation with a compressor and a DC brush motor, preferably for operating an air suspension system, a brake system or the like.
  • a vehicle's compressed air collector is provided for operating a DC brush motor, in particular for operating compressed air generation with a compressor and a DC brush motor, preferably for operating an air suspension system, a brake system or the like.
  • the method is based on the use of a direct current brush motor, which has a stator and a rotor, each with a plurality of pole pairs.
  • the rotor can be energized with a plurality of brushes via a commutator and a brush arrangement.
  • the direct current brush motor also has a switching device, which is connected to the brush arrangement for switching a current supply to a brush, the switching device being integrated in an operating circuit of the direct current brush motor which can be controlled by the latter.
  • the method is characterized in that
  • the operating circuit controls the running states of the engine
  • the operating circuit for the running state monitors a running parameter determining the power consumption and / or power output of the engine
  • the switching device controlled in this way switches the current supply to the brush when the running parameter reaches a threshold value. This reliably prevents large current gradients from occurring, particularly when the DC brush motor according to the invention is switched on and off.
  • the invention is based on the consideration that it is fundamentally advantageous to drive a compressor with a DC brush motor.
  • the inventors have recognized that it can occur that a compressor driven with a DC brushed motor can have comparatively high currents due to its power consumption, for example when switching on or off, but also during operation under different load conditions.
  • the invention is now based on the finding that a power density can be increased compared to a DC brush motor with only one pole pair with a multi-pole DC brush motor that has a stator and a rotor with a plurality of pole pairs each.
  • the size and weight can advantageously be reduced with the same power density.
  • the invention is further based on the knowledge that a DC brush motor with a plurality of pole pairs with a changed characteristic can also run with a reduced number of brushes. This means that a commutator in this running state with a reduced power density is not energized with all brushes of a brush arrangement, but only with a smaller number of brushes in comparison. If only an energization of brushes of a brush arrangement is switched by means of a switching device, advantageously all brushes, even those that are not energized, can remain in contact with the commutator and do not have to be mechanically detached from it in order to energize the commutator by to interrupt the brushes.
  • the inventors have further recognized that there are different running conditions when driving a compressor with a DC brush motor, and that it can be advantageous to energize a different number of brushes of a brush arrangement in each case in the different running states.
  • the invention is further based on the knowledge that it can be advantageous if a direct current brush motor is supplied with current in different operating states with a different number of brushes of a brush arrangement.
  • the invention is based on the consideration that it is advantageous to monitor a running parameter which determines the power consumption and / or power output of the motor by means of an operating circuit — preferably transiently — over time and the number of brushes of the brushed current supplied based on the monitored running parameter to determine in an appropriate running state of the engine. It has turned out to be a suitable criterion to define a threshold value for a running parameter and to switch the current supply to a brush of the brush arrangement when the threshold value is reached.
  • the operating circuit controls the switching device as a function of the monitored running parameter, by means of which the current supply to the brush can be switched when the monitored running parameter reaches a threshold value.
  • the switching device is integrated in the operating circuit provided anyway, so that basically no changes need to be made to a DC brushed motor itself.
  • the DC brushed motor according to the invention can advantageously be operated with only one voltage source. This avoids the use of additional components, such as an additional battery, additional cables and connections, in a vehicle.
  • the concept described thus enables cost savings, in particular compared to today's CSS solution, by eliminating the need for an additional housing and connectors.
  • a running state can relate to any state in the motor operation of the direct current brush motor and is in particular not limited to only one motor start.
  • the current supply to a brush of the brush arrangement can be switched as a function of a monitored running parameter at any time during motor operation, so as to adapt the current supply to the DC brush motor and to specifically manipulate a running parameter.
  • the direct current brush motor is preferably a permanent magnet direct current brush motor, that is to say a permanently excited direct current brush motor, in which the stator magnetic field is generated by a permanent magnet.
  • the compressor is usually controlled by a compressor relay and driven by the permanent magnet DC brush motor.
  • a compressor relay and driven by the permanent magnet DC brush motor.
  • a compressor driven by a DC brushed motor usually runs continuously and especially not in a start-stop operation.
  • the running conditions of a DC brushed motor for driving a compressor thus extend in part over a comparatively long period of time, for example continuous operation with a constant load.
  • the running states preferably include at least one engine start, one engine endurance run, and one engine stop.
  • the power density of a multi-pole DC brush motor is reduced by reducing the number of brushes with current in a brush arrangement.
  • a running parameter determining a power consumption of the motor which for example represents a starting current, or a running parameter determining a power output of the motor, which for example represents a speed, can advantageously be reduced.
  • the number of energized brushes is preferably less than or equal to the number of poles of the plurality of pole pairs and is, in particular, at least two energized brushes.
  • the operating circuit is preferably designed to transiently monitor a running parameter that determines the power consumption and / or power output of the engine for a running state.
  • a running parameter is thus monitored transiently over time for a running state during a motor operation of the DC brushed motor.
  • a monitored running parameter can be queried by the operating circuit at regular or at randomly defined time intervals.
  • One of the running states is preferably a motor start and the running parameter is a starting parameter, in particular a starting current and / or gradient.
  • the operating circuit is preferably designed to monitor the startup parameter and to control the switching device as a function of the startup parameter.
  • one of the running conditions is a continuous motor run and the running parameter is a continuous running parameter, in particular a speed.
  • the operating circuit is preferably designed to monitor the endurance parameter and to control the switching device as a function of the endurance parameter.
  • a DC voltage generated in motor operation is typically speed-dependent. If different load conditions occur in motor operation, it may be advantageous to reduce or increase a rotational speed of the DC brushed motor, for example depending on a load.
  • the current is preferably switched off by one or more brushes.
  • a rotational speed of the direct current brush motor can be reduced in accordance with the number of brushes supplied with current, the voltage provided and the torque demanded.
  • One of the running states is preferably a motor stopping and the running parameter is a stopping parameter, in particular a rotational speed.
  • the operating circuit is preferably designed to monitor the run-down parameter and to control the switching device as a function of the run-out parameter. For example, a DC brushed motor can be brought to a standstill in a controlled manner by switching off brushes of the brush arrangement depending on the monitored run-down parameter, step by step or several brushes together.
  • the DC brush motor comprises two pairs of poles, i.e. H. four poles and four brushes.
  • poles i.e. H. four poles and four brushes.
  • the operating circuit is designed to control the switching device in such a way that, depending on the running parameter, meter, the current supply to individual brushes of the brush arrangement is switched.
  • An energization of individual brushes is preferably switched on or off in succession.
  • the number of stages then corresponds to the number of brushes switched on or off.
  • the current supply to several brushes is switched on or off together.
  • the stepwise switching of the energization of the brushes comprises fewer stages, for example only one stage between the energization of two brushes during an engine start and the energization of four brushes during an engine continuous operation.
  • a rotational speed of a direct current brush motor can also be influenced in stages without the need to fundamentally change the general structure of a direct current brush motor itself.
  • the dependence of the control of the switching device on the running parameter preferably includes that
  • the switching device switches off the current supply to a brush if the running parameter exceeds a threshold value and / or
  • the operating circuit is therefore preferably designed to control the switching device in such a way that it switches off the current supply to a brush when the threshold value is exceeded and / or switches on when the threshold value is undershot.
  • the number of brushes that are energized can therefore be selected as a function of the monitored running parameter, in particular, the Select the number of energized brushes by defining a threshold value for the running parameter. If the threshold value is exceeded or undershot, the number of brushes supplied with current can then be changed during motor operation.
  • a threshold value offers a particularly suitable criterion. However, it can also be advantageous to select the number of brushes with current as a function of a further additional or alternative criterion.
  • the dependence of the control of the switching device on the running parameter preferably includes the fact that the number of brushes of the brush arrangement which are energized in a lukewarm state depends on the monitored running parameter.
  • the switching device has electronic switching elements.
  • the switching elements preferably have at least one electrically conductive switching state in which one or more brushes are supplied with current during operation and in an electrically non-conductive switching state in which the current supply to one or more brushes is interrupted.
  • the electronic switching elements of the switching device can preferably be controlled by the operating circuit.
  • Each switching element is preferably assigned to exactly one brush of the brush arrangement and switches one
  • the brushes can then advantageously be switched independently of one another.
  • the switching contacts can particularly preferably be controlled independently of one another by the operating circuit.
  • only one switching element can be provided in a switching device, which is designed to switch between a reduced number of energized brushes and a full number of energized brushes.
  • the switching elements are preferably installed as a semiconductor switch on a circuit board of the operating circuit.
  • the semiconductor switch can be comparatively inexpensive, unprotected semiconductor, since it is not external cabling errors must be taken into account.
  • the semiconductor switches are preferably metal-oxide-semiconductor field-effect transistors.
  • the dependence of the control of the switching device on the running parameter preferably includes the fact that the running parameter is limited, in particular reduced, by high-frequency clocking of the semiconductor switches.
  • z. B. two semiconductor switches, each of which switch the current supply to a corresponding brush, can influence a starting current gradient via fast clocking, for example.
  • the starting current is preferably limited or even reduced.
  • the remaining brushes can then be switched on via further semiconductor switches.
  • the starting current gradient can be set by means of a pulsed actuation during motor start-up and two further compressor speeds can be represented by static actuation of the other semiconductor switches.
  • the switching device is designed to control a brush of the brush arrangement in a time-controlled manner.
  • the switching device preferably comprises a timing logic, which is built together with switching elements of the switching device on a printed circuit board of the operating circuit.
  • a time-controlled control of the brushes represents a comparatively simple way of control.
  • a time-controlled control of the brushes can advantageously dispense with a current measurement for control purposes. It is also conceivable that only selected brushes of the brush arrangement are controlled in a time-controlled manner.
  • the timing logic is preferably an integral part of the circuit board on which the switching elements are installed.
  • the switching device is designed to receive a control signal from an operatively connected control device which is superordinate to the direct current brush motor.
  • the switching device is formed to switch the energization of the brush as a function of the received control signal.
  • the higher-level tax device independently of the operating circuit, a number of energized brushes of the brush arrangement are determined by a control signal. Brushes can therefore be switched on or off by means of a corresponding control signal.
  • FIG. 1 a schematic representation of a DC brush motor
  • FIG. 2 a schematic representation of an interconnection of individual brushes in a four-pole DC brush motor
  • FIG. 3 an electrical equivalent circuit diagram of a four-pole DC brush motor with four brushes
  • FIG. 4 a possible wiring of the brushes of a four-pole DC brush motor
  • FIG. 5 shows a rotor which is constructed as a twelve-slot armature with twelve individual coils which form the armature windings.
  • the DC brush motor 100 is preferably for driving a compressor (not shown), in particular as part of a compressed air generation with a compressor and a DC brush motor, preferably for an air suspension system, a brake system or the like.
  • the DC brush motor 100 shown is a permanent magnet DC brush motor.
  • the DC brush motor 100 has a stator 102 and a rotor 104, each with two pole pairs. In an embodiment not shown here, the DC brush motor has more than two pole pairs, two or three pole pairs being generally preferred.
  • the rotor 104 is rotatably supported in the stator 102.
  • the rotor 104 can be supplied with current via a commutator 106 and a brush arrangement 108 with a plurality of brushes 109.n.
  • the brushes 109.n are implemented as carbon brushes, which are each mechanically pressed onto the commutator 106 via a spring. The brushes 109.n are therefore permanently in contact with the commutator 106. In an embodiment not shown here, the brushes are metal brushes.
  • the DC brush motor 100 also has a switching device 110, which is connected to the brush arrangement 108 in a control manner, for switching a current to one of the brushes 09.n.
  • a switching device 110 which is connected to the brush arrangement 108 in a control manner, for switching a current to one of the brushes 09.n.
  • compressors for vehicle air suspensions driven with a DC brush motor have a power consumption of 180 W to 400 W, with a starting current of up to 120 A.
  • Such a brief starting current peak can have a negative impact on the electrical system of a vehicle, a fuse design of a compressor supply circuit or cause a voltage drop via compressor supply lines at the start-up torque and thus affect the compressor's ability to start up.
  • a voltage drop AU via compressor supply lines with the line resistance Ri_eitung is calculated
  • the switching device 110 is integrated in an operating circuit 112 of the DC brushed motor 100 so that it can be controlled.
  • the switching device 110 has electronic switching elements 1 14, which are semiconductor switches in the embodiment shown.
  • the operating circuit 1 12 is designed to control running states of the engine 100.
  • the running conditions can include, for example, a motor start, a motor continuous running, and a motor stopping.
  • the operating circuit 1 12 is further configured for at least one of the running conditions to monitor a running parameter determining the power consumption and / or power output of the engine 100 and to control the switching device 110 as a function of the running parameter.
  • the operating circuit 112 is designed according to the concept of the invention to control the switching device 110 in such a way that the current supply to the brush 109.n can be switched by means of the switching device 110 when the running parameter reaches a threshold value.
  • the operating circuit 1 12 controls the switching device 110 during operation in such a way that the switching device 110 switches off the energization of a brush 109.n when the threshold value is exceeded and / or turns on when the threshold value is undershot.
  • the number of brushes 109.n of the brush arrangement 108 which are energized in a lukewarm state therefore depends on the monitored running parameter.
  • the energization of individual brushes 109.n of the brush arrangement 108 is switched in stages depending on the monitored running parameter.
  • the DC brush motor described here can run with two pairs of poles.
  • a motor operation with a reduced number of brushes 109.n, a rotational speed of the DC brush motor 100 or a start-up or run-down current characteristic can be set in a targeted and controlled manner by a flexible choice of the number of brushes 109.n which are supplied with current.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of an interconnection of individual brushes 209.1, 209.2, 209.3, 209.4 in a four-pole DC brush motor 200.
  • the DC brush motor 200 comprises a switching device 210 with four switching elements 214.1, 214.2, 214.3, 214.4 .
  • switching elements 214.3 and 214.4 switchable, whereas the switching elements 214.3 and 214.4 can only be switched together using a push button 215 but independently of the switching elements 214.1 and 214.2.
  • the switching elements 214.1, 214.2, 214.3, 214.4 each have a closed, electrically conductive switching state in which a brush 209.1, 209.2, 209.3, 209.4 can be supplied with current and an open, electrically non-conductive switching state in which current is applied to a brush Chen is.
  • the electronic switching elements 214.1, 214.2, 214.3, 214.4 of the switching device 210 can be controlled by an operating circuit (not shown).
  • a switching element 214.1, 214.2, 214.3, 214.4 is assigned to exactly one brush 209.1, 209.2, 209.3, 209.4 and switches an energization of this assigned brush 209.1, 209.2, 209.3, 209.4.
  • the switching elements are connected via connecting lines 21 1.1 and 21 1.2 to a voltage supply 213, for example a car battery.
  • the switching elements 214.2 and 214.4 are connected to the positive pole of the voltage supply 213 and are subjected to a positive voltage during operation.
  • the switching elements 214.1 and 214.3 are connected to the negative pole of the voltage supply 213 and are subjected to a negative voltage during operation.
  • One of the switching elements is connected via one of the lines 216.1, 216.2, 216.3,
  • the brushes 209.1, 209.2, 209.3, 209.4 are in contact with a commutator 206 of the direct current brush motor 200 in such a way that along the circumference of the commutator 206 a brush with a positive voltage can be applied to a brush with a negative voltage Brush follows.
  • a rotor is energized via the commutator 206 and the energized brushes.
  • the rotor 204 is rotatably mounted in a stator (not shown).
  • the stator is immobile and has a hollow cylinder to which a permanent magnet 203 is attached, which it generates a static stator magnetic field in which the rotor 204 is arranged.
  • the DC brush motor 200 shown is accordingly a permanent magnet DC brush motor 200.
  • the DC brush motor 200 can with a full number of brushes 209.1, 209.2, 209.3, 209.4, ie with four brushes, or with a reduced number of brushes 209.1, 209.2, 209.3, 209.4, ie fewer than four but at least two of them Brushes 209.1, 209.2, 209.3, 209.4 are operated. Even with a reduced number of brushes 209.1, 209.2, 209.3, 209.4, the DC brush motor 200 remains executable with a changed characteristic and reduced power density. So if necessary, for. B. depending on a monitored running parameter, a running parameter, for example a starting current or a rotational speed, can be set in a corresponding running state of the DC brush motor 200.
  • a dependency of a starting current on a number of energized brushes can be considered by way of calculation.
  • the example calculations described below are based on a model of a rotor 300 which is constructed as a twelve-slot armature with twelve individual coils 304, the armature windings.
  • the rotor 300 should be able to be energized with a maximum of four brushes 309.1, 309.2, 309.3, 309.4.
  • Rspuie 66.67 mOhm
  • the starting current l An iank 120 A, at a voltage of 12 V and a total resistance of 100 mOhm.
  • This exemplary mathematical consideration of the dependency of the starting current on the number of energized brushes using the example of a four-pole direct-current brush motor thus illustrates that a starting current, by reducing the number of energized brushes to two or three energized brushes, compared to a motor start can be significantly reduced with four energized brushes - in the present example model from 120A to 68A with three brushes (well below 75%) or 48A with two brushes (well below 50%).
  • This exemplary mathematical analysis of the dependency of the starting current on the number of brushes with current - here using the example of a four-pole DC brush motor - shows that a starting current can be reduced disproportionately compared to the number of brushes by reducing the number of brushes with current.
  • FIG. 4 shows an example of a possible connection of the brushes 409.1, 409.2, 409.3, 409.4 of a four-pole direct current brush motor 400.
  • the DC brush motor 400 comprises a commutator 406, a rotor, a stator (both not shown) and a switching device with three switching elements 414.1, 414.2, 414.3. With the switching element 414.1, the energization of the brushes 409.1 and 409.2 can be switched on and off together.
  • the brush 409.2 is preferably permanently grounded.
  • a fourth switching element is provided in addition to the switching elements 414.1, 414.2, 414.3, with which all brushes 409.1, 409.2, 409.3, 409.4 can be switched on and off together.
  • the energization of the brush 409.3 can be switched on and off, so that by switching this switching element 414.3 into a motor operation of the DC brushed motor 400 with three energized brushes 409.1, 409.2, 409.3, it can be switched when the switching element 414.2 is in the non-conductive switching state and the brush 409.4 is thus switched off.
  • a running state of the DC brush motor 400 in which the switching element 414.3 is in the conductive switching state, by switching the switching element 414.2 into a conductive switching state, it can change to a running state with four energized brushes 409.1, 409.2, 409.3, 409.4 will.
  • the brushes 409.1, 409.2, 409.3, 409.4 are in electrically conductive contact with the commutator 406, which is supplied with a different number of brushes 409.1, 409.2, 409.3, 409.4 in accordance with the switching of the current by the switching elements 414.1, 414.2, 414.3 can be.
  • the switching device of the DC brush motor 400 shown in FIG. 4 includes a timing logic 418, which is installed together with switching elements 414.1, 414.2, 414.3 of the switching device on a circuit board of the operating circuit (not shown) of the DC brush motor 400.
  • the timing logic 418 is connected to a voltage supply 421.
  • brushes 409.1, 409.2, 409.3, 409.4 can be controlled individually or in groups via the switching elements 414.1, 414.2, 414.3.
  • a time-controlled activation of the brushes 409.1, 409.2, 409.3, 409.4 represents a comparatively simple way of activation, in which, for example, a current measurement for activation can be omitted.
  • the brushes can be timed in such a way that when the DC brush motor 400 is switched on, two of the brushes 409.1, 409.2, 409.3, 409.4 are energized first and with a time delay of 100 ms each, then a third and a one after the other fourth brush can be switched.
  • the current supply to the brushes can then be interrupted collectively.
  • a polling can tion of two of the brushes 409.1, 409.2, 409.3, 409.4 are switched off, for example to bring about a speed reduction.
  • the DC brush motor 400 shown is still with one
  • DC brush motor 400 higher-level control unit 420 the verb, for. B. wirelessly, but preferably electrically via a control line 422.
  • the control device can provide a control signal automatically or by manual input by a user and can be transmitted to the switching device via a filter 419.
  • the switching device is designed to switch the energization of the brushes 409.1, 409.2, 409.3, 409.4 depending on the control signal received.
  • an energization of the brushes 409.1, 409.2, 409.3, 409.4 can thus be switched by a control signal provided by the higher-level control unit 420.
  • a number of energized brushes 409.1, 409.2, 409.3, 409.4 can be determined independently of an operating circuit (not shown) by a control signal, in order to set a starting current or a speed, for example.
  • Fig. 5 shows a rotor 500, which is constructed as a twelve-slot armature 502 with twelve individual coils 504, the armature windings.
  • the individual coils 504 are electrically conductive with electrical connections 508 of a commutator.
  • brushes 506.1, 506.2, 506.3, 506.4 are each mechanically and electrically conductive in contact with one of the electrical connections 508 of the commutator.
  • the total resistance Roesam t results from the electrical connection of the single coil len with the resistor R Sp uie ie the corresponding series and parallel connections of the individual coil resistors Rspuie , and the number of parallel armature branches through which current flows.
  • the rotor 500 is energized with two brushes 506.1, 506.2 and the
  • the brushes 506.3, 506.4 are switched off.
  • Such current supply can be suitable, for example, to limit a starting current during a motor start-up - as was explained by way of example with reference to FIG. 3 - or to bring about a speed reduction during a motor running run.
  • the rotor 500 is energized via all four brushes 506.1, 506.2, 506.3, 506.4.
  • the current flow then takes place via four armature branches.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gleichstrom-Bürstenmotor zum Antreiben eines Kompressors, insbesondere eine Drucklufterzeugung mit einem Kompressor und einem Gleichstrom-Bürstenmotor, vorzugsweise für eine Luftfederanlage, eine Bremsanlage od. dgl. Druckluftabnehmer eines Fahrzeugs. Der Gleichstrom-Bürstenmotor weist einen Stator und einen Rotor mit jeweils einer Mehrzahl von Polpaaren auf. Der Rotor ist über einen Kommutator und eine Bürstenanordnung mit einer Mehrzahl von Bürsten, bestrombar. Der Gleichstrom-Bürstenmotor weist weiterhin eine mit der Bürstenanordnung steuerverbundene Schalteinrichtung zum Schalten einer Bestromung einer der Bürsten auf.

Description

Gleichstrom-Bürstenmotor zum Antreiben eines Kompressors, Drucklufterzeu gung und Verfahren zum Betreiben eines Gleichstrom-Bürstenmotors
Die Erfindung betrifft einen Gleichstrom-Bürstenmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zum Antreiben eines Kompressors, eine Drucklufterzeugung mit einem Kompressor und dem Gleichstrom-Bürstenmotor und ein Verfahren zum Betreiben eines Gleichstrom-Bürstenmotors gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 13.
Ein eingangs genannter Gleichstrom-Bürstenmotor weist typischerweise einen Stator, einen Rotor, einen Kommutator und eine Anzahl Bürsten auf und wird mit Gleichstrom betrieben. Der Stator ist in der Regel unbeweglich und weist regelmäßig einen Hohlzylinder auf, an welchem Hauptpole der dem Stator zu geordneten eingangs genannte Mehrzahl von Polpaaren angebracht sind. Die Hauptpole dienen zum Erzeugen eines Magnetfeldes und umfassen beispiels weise in Reihe geschaltete gleichspannungsgespeiste Hauptpolwicklungen, auch Erregerwicklungen genannt oder -häufiger- Permanentmagnete.
Typischerweise ist in dem Stator ein drehbar gelagerter Rotor angeordnet, der eine oder mehrere Spulen umfasst, die sich in dem Magnetfeld des Stators be finden und die dem Rotor zugeordnete eingangs genannte Mehrzahl von Pol paaren bilden. Oft sind die Spulen des Rotors um einen Eisenkern gewickelt, der als Anker bezeichnet wird.
Die Spulen des Rotors sind elektrisch mit dem eingangs genannten Kommuta tor verbunden, der in der Regel ausgebildet ist, eine Wechselspannung in eine Gleichspannung zu wandeln. Das geschieht dadurch, dass ein Kommutator im Motorbetrieb immer dann eine Umpolung der in den Spulen induzierten Span- nung bewirkt, wenn sich die Richtung der induzierten Spannung ändert. Die so im Motorbetrieb erzeugte Gleichspannung ist typischerweise drehzahlabhängig. In der Regel wird ein Kommutator im Motorbetrieb durch Bürsten der eingangs genannten Bürstenanordnung, beispielsweise Metall- oder Kohlebürsten, bestromt. Eine Bürste stellt einen Schleifkontakt dar, welcher typischerweise über eine Feder mechanisch an den Kommutator gedrückt wird, um im Betrieb eine elektrisch leitfähige Verbindung herzustellen. Wird ein Rotor über einen Kommutator bestromt, so wechselwirkt das in den Spulen des Rotors erzeugte Magnetfeld mit dem Magnetfeld des Stators, sodass sich der drehbar gelagerte Rotor in dem Stator dreht. Durch die durch den Kommutator bewirkte Umpolung wird sichergestellt, dass das Drehmoment des Rotors stets in dieselbe Richtung wirkt.
Beispiele für einen Gleichstrom-Bürstenmotor sind ein permanenterregter Gleichstrom-Bürstenmotor, bei dem das Stator-Magnetfeld durch einen Perma nentmagneten erzeugt wird, und ein elektrisch erregter Gleichstrom- Bürstenmotor, bei dem das Stator-Magnetfeld durch einen Elektromagneten erzeugt wird. Ein elektrisch erregter Gleichstrom-Bürstenmotor umfasst eine Reihenschlussmaschine, eine Nebenschlussmaschine, eine fremderregte Ma schine und eine Verbundmaschine. Letztere wird auch Doppelschlussmotor genannt.
Gleichstrom-Bürstenmotoren finden heutzutage in vielen Bereichen Anwen dung, insbesondere in einem Fahrzeug als Startermotor oder als Komponente einer Druckluftversorgung für ein Fahrzeug, aufgrund ihres vergleichsweise ho hen Wirkungsgrads, einer in der Regel unterbrechungsfreien Drehmomentab gabe und eines emissionsfreien Motorbetriebs.
In DE 10 2012 024 400 A1 wird eine Begrenzung eines Betriebsstroms eines Elektromotors beschrieben. Insbesondere wird ein Verdichter zur Erzeugung von Druckluft, insbesondere für eine Druckluftversorgungsanlage eines Fahr zeugs, beschrieben. Das Fahrzeug weist einen Elektromotor in Form eines bürstenbehafteten Gleichstrom-Elektromotors BDC Elektromotors und einen Kompressor, insbesondere einem zweistufigen Kompressor mit wenigstens ei ner ersten und einer zweiten Verdichterstufe auf, der über den Elektromotor antreibbar ist. Der Elektromotor ist mittels einem elektronischen Steuermodul einer Steuereinrichtung unter Begrenzung eines Betriebsstroms des Elektromo tors
Steuerbar.
Problematisch ist dennoch regelmäßig, dass bei vergleichsweise hohen Lastan forderungen, insbesondere beim Einschalten und beim Ausschalten eines Gleichstrom-Bürstenmotors, vergleichsweise große Stromgradienten auftreten können. Beispielweise kann sich ein beim Einschalten eines Gleichstrom- Bürstenmotors auftretender kurzzeitiger Anlaufstrom-Peak negativ auf ein elekt risches Bordnetz eines Fahrzeugs auswirken. Es ist daher wünschenswert ein Auftreten großer Stromgradienten im Betrieb eines Gleichstrom-Bürstenmotors verlässlich zu vermeiden.
In DE 10 2012 214 122 A1 wird ein eingangs genannter elektrischer Startermo tor für eine Startvorrichtung beschrieben, der Erregerwicklungen im Stator und Ankerwicklungen im rotierenden Anker aufweist, die über eine Kommutierungs einrichtung mit Bürsten bestrombar sind. Der beschriebene Startermotor ist wahlweise mit maximaler Polzahl oder mit reduzierter Polzahl betreibbar. Der in DE 10 2012 214 122 A1 beschriebene Startermotor ist als Reihenschlussmotor ausgebildet und wird nicht im Dauerbetrieb betrieben, sondern jeweils zeitlich begrenzt während eines Startvorgangs eines Fahrzeugs.
Ein Gleichstrom-Bürstenmotor ist insbesondere hinsichtlich der Begrenzung eines Betriebsstroms und/oder weiterer Laufparameter des Gleichstrom- Bürstenmotors immer noch verbesserbar, insbesondere, wenn er im Dauerbe trieb betrieben werden soll.
An dieser Stelle setzt die Erfindung ein deren Aufgabe es ist einen verbesserten Gleichstrom-Bürstenmotor, eine verbesserte Drucklufterzeugung und ein ver- bessertes Verfahren zum Betreiben eines Gleichstrom-Bürstenmotors bereitzu stellen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch einen Gleichstrom- Bürstenmotor gemäß Anspruch 1.
Der erfindungsgemäße Gleichstrom-Bürstenmotor ist ausgebildet, zum Antrei ben eines Kompressors. Insbesondere im Rahmen einer Drucklufterzeugung mit einem Kompressor und dem Gleichstrom-Bürstenmotor, vorzugsweise für eine Luftfederanlage, eine Bremsanlage od. dgl. Druckluftabnehmer eines Fahrzeugs.
Die Erfindung geht aus von einem Gleichstrom-Bürstenmotor der eingangs ge nannten Art. Dieser weist einen Stator und einen Rotor mit jeweils einer Mehr zahl von Polpaaren auf. Der Rotor ist über einen Kommutator und eine Bürs tenanordnung mit einer Mehrzahl von Bürsten, bestrombar. Der Gleichstrom- Bürstenmotor weist weiterhin eine mit der Bürstenanordnung steuerverbundene Schalteinrichtung zum Schalten einer Bestromung einer der Bürsten auf.
Erfindungsgemäß ist die Schalteinrichtung in einer Betriebsschaltung des Gleichstrom-Bürstenmotors von dieser ansteuerbar integriert. Die Betriebs schaltung ist erfindungsgemäß ausgebildet, Laufzustände des Motors, zu steu ern, wobei die Betriebsschaltung für den Laufzustand einen die Leistungsauf nahme und/oder Leistungsabgabe des Motors bestimmenden Laufparameter, überwacht und in Abhängigkeit von dem Laufparameter die Schalteinrichtung ansteuert, derart, dass mittels der Schalteinrichtung die Bestromung der Bürste schaltbar ist, wenn der Laufparameter einen Schwellwert erreicht.
Damit ist ein Auftreten großer Stromgradienten, insbesondere beim Ein- und Ausschalten des erfindungsgemäßen Gleichstrom-Bürstenmotors, verlässlich vermieden. Die Erfindung führt auch auf eine Drucklufterzeugung des Anspruchs 12, vor zugsweise für eine Luftfederanlage, eine Bremsanlage od. dgl. eines Fahr zeugs, mit einem Kompressor und einem erfindungsgemäßen Gleichstrom- Bürstenmotor.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren des Anspruchs 13 zum Betreiben eines Gleichstrom- Bürstenmotors, insbesondere zum Betreiben einer Drucklufterzeugung mit ei nem Kompressor und einem Gleichstrom-Bürstenmotor, vorzugsweise zum Be treiben einer Luftfederanlage, einer Bremsanlage od. dgl. Druckluftabnehmer eines Fahrzeugs.
Das Verfahren geht aus von der Verwendung eines Gleichstrom- Bürstenmotors, der einen Stator und einen Rotor mit jeweils einer Mehrzahl von Polpaaren aufweist. Der Rotor ist über einen Kommutator und eine Bürstenano rdnung mit einer Mehrzahl Bürsten bestrombar ist. Der Gleichstrom- Bürstenmotor weist weiterhin eine mit der Bürstenanordnung steuerverbundene Schalteinrichtung zum Schalten einer Bestromung einer Bürste auf, wobei die Schalteinrichtung in einer Betriebsschaltung des Gleichstrom-Bürstenmotors von dieser ansteuerbar integriert ist.
Das Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass
die Betriebsschaltung Laufzustände des Motors steuert,
die Betriebsschaltung für den Laufzustand einen die Leistungsaufnahme- und/oder Leistungsabgabe des Motors bestimmenden Laufparameter überwacht, und
in Abhängigkeit von dem Laufparameter die Schalteinrichtung ansteuert, wobei
die derart angesteuerte Schalteinrichtung die Bestromung der Bürste schaltet, wenn der Laufparameter einen Schwellwert erreicht. Damit ist ein Auftreten großer Stromgradienten, insbesondere beim Ein- und Ausschalten des erfindungsgemäßen Gleichstrom-Bürstenmotors, verlässlich vermieden.
Die Erfindung beruht auf der Überlegung, dass es grundsätzlich vorteilhaft ist einen Kompressor mit einem Gleichstrom-Bürstenmotor anzutreiben. Die Erfin der haben jedoch erkannt, dass es Vorkommen kann, dass bei einem mit einem Gleichstrom-Bürstenmotor angetriebenen Kompressor durch seine Leistungs aufnahme beispielsweise beim Einschalten oder beim Ausschalten, aber auch im Betrieb unter unterschiedlichen Lastbedingungen, vergleichsweise hohe Ströme auftreten können. Die Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, dass sich mit einem höherpoligen Gleichstrom-Bürstenmotor, der einen Stator und einen Rotor mit jeweils einer Mehrzahl von Polpaaren aufweist, eine Leistungs dichte im Vergleich zu einem Gleichstrom-Bürstenmotor mit nur einem Polpaar erhöhen lässt. Vorteilhafterweise lässt sich die Baugröße und Gewicht bei glei cher Leistungsdichte reduzieren.
Der Erfindung liegt weiterhin die Erkenntnis zugrunde, dass ein Gleichstrom- Bürstenmotor mit einer Mehrzahl von Polpaaren bei veränderter Charakteristik auch mit einer reduzierten Anzahl von Bürsten lauffähig ist. Das heißt, dass ein Kommutator in diesem Laufzustand mit einer reduzierten Leistungsdichte nicht mit allen Bürsten einer Bürstenanordnung, sondern lediglich mit einer im Ver gleich kleineren Anzahl Bürsten bestromt wird. Wenn lediglich eine Bestromung von Bürsten einer Bürstenanordnung mittels einer Schalteinrichtung geschaltet wird, können vorteilhafterweise alle Bürsten, auch diejenigen, die nicht bestromt werden, in Kontakt mit dem Kommutator verbleiben und müssen nicht mecha nisch von diesem gelöst werden, um eine Bestromung des Kommutators durch eine der Bürsten zu unterbrechen.
Die Erfinder haben weiterhin erkannt, dass es beim Antreiben eines Kompres sors mit einem Gleichstrom-Bürstenmotor verschiedene Laufzustände gibt, und dass es vorteilhaft sein kann, in den verschiedenen Laufzuständen jeweils eine unterschiedliche Anzahl Bürsten einer Bürstenanordnung zu bestromen. Die Erfindung beruht weiter auf der Erkenntnis, dass es vorteilhaft sein kann, wenn ein Gleichstrom-Bürstenmotor im Motorbetrieb in verschiedenen Laufzuständen mit jeweils einer unterschiedlichen Anzahl Bürste einer Bürstenanordnung bestromt wird.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass es vorteilhaft ist einen die Leistungsaufnahme- und/oder Leistungsabgabe des Motors bestimmenden Laufparameter mittels einer Betriebsschaltung -vorzugsweise transient- über die Zeit zu überwachen und die Anzahl der bestromten Bürsten der Bürstenano rdnung auf Basis des überwachten Laufparameters in einem entsprechenden Laufzustand des Motors zu bestimmen. Es hat sich als geeignetes Kriterium herausgestellt, für einen Laufparameter einen Schwellwert zu definieren und die Bestromung einer Bürste der Bürstenanordnung bei Erreichen des Schwell werts zu schalten. Zum Schalten der Bürste steuert die Betriebsschaltung in Abhängigkeit von dem überwachten Laufparameter die Schalteinrichtung, mit tels der die Bestromung der Bürste schaltbar ist, wenn der überwachte Laufpa rameter einen Schwellwert erreicht. Vorteilhafterweise ist die Schalteinrichtung in die ohnehin vorgesehene Betriebsschaltung integriert, sodass an einem Gleichstrom-Bürstenmotor selbst grundsätzlich keine Veränderungen vorge nommen werden müssen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu ent nehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, das oben erläu terte Konzept im Rahmen der Aufgabenstellung sowie hinsichtlich weiterer Vor teile zu realisieren.
Vorteilhafterweise kann der erfindungsgemäße Gleichstrom-Bürstenmotor mit nur einer Spannungsquelle betrieben werden. Dadurch lässt sich der Einsatz von zusätzlichen Komponenten, wie eine zusätzliche Batterie, weiteren Leitun gen und Anschlüssen, in einem Fahrzeug vermeiden. Das beschriebene Kon zept ermöglicht also Kosteneinsparungen insbesondere gegenüber der heuti gen CSS-Lösung, durch einen Wegfall von einem zusätzlichen Gehäuse und Steckern. Ein Laufzustand kann einen beliebigen Zustand im Motorbetrieb des Gleich strom-Bürstenmotors betreffen und ist insbesondere nicht nur auf einen Motor anlauf beschränkt. Vorteilhafterweise kann also während eines Motorbetriebs zu einem beliebigen Zeitpunkt die Bestromung einer Bürste der Bürstenanord nung in Abhängigkeit von einem überwachten Laufparameter geschaltet wer den, um so eine Bestromung des Gleichstrom-Bürstenmotors anzupassen und einen Laufparameter gezielt zu manipulieren.
Der Gleichstrom-Bürstenmotor ist vorzugsweise ein Permanentmagnet- Gleichstrom-Bürstenmotor, also ein permanenterregter Gleichstrom- Bürstenmotor, bei dem das Stator-Magnetfeld durch einen Permanentmagneten erzeugt wird.
Der Kompressor wird in der Regel über ein Kompressor-Relais angesteuert und durch den Permanentmagnet-Gleichstrom-Bürstenmotor angetrieben. Vorteilha ferweise und bevorzugt entfällt jedoch ein konventionelles, mechanisches Re lais.
Ein von einem Gleichstrom-Bürstenmotor angetriebener Kompressor läuft in der Regel durchgängig und insbesondre nicht in einem Start-Stopp Betrieb. Die Laufzustände eines Gleichstrom-Bürstenmotors zum Antreiben eines Kompres sors erstrecken sich also teilweise über einen vergleichsweise langen Zeitraum, beispielsweise einen Dauerbetrieb bei konstanter Last. Bevorzugt umfassen die Laufzustände wenigstens einen Motoranlauf, einen Motordauerlauf, und einen Motorauslauf.
In bestimmten Laufzuständen kann es vorteilhaft sein, wenn die Leistungsdichte eines höherpoligen Gleichstrom-Bürstenmotors durch ein Reduzieren der An zahl bestromter Bürsten einer Bürstenanordnung gesenkt wird. Beispielsweise kann es vorteilhaft sein einen Gleichstrom-Bürstenmotor im Motordauerlauf mit allen vorhandenen Bürsten und im Motoranlauf und -auslauf mit einer reduzier ten Anzahl Bürsten zu bestromen. Das heißt, es kann vorteilhaft sein die Bestromung von einzelnen Bürsten temporär oder über einen längeren Zeit raum abzuschalten. Durch einen Motorbetrieb mit einer reduzierten Anzahl Bürsten kann vorteilhafterweise ein eine Leistungsaufnahme des Motors be stimmenden Laufparameter, der beispielweise einen Anlaufstrom repräsentiert, oder ein eine Leistungsabgabe des Motors bestimmenden Laufparameter, der beispielweise eine Drehzahl repräsentiert, reduziert werden. Die Anzahl der bestromten Bürsten ist hierbei bevorzugt kleiner oder gleich der Zahl von Polen der Mehrzahl von Polpaaren und beträgt aber insbesondere wenigstens zwei bestromte Bürsten.
Die Betriebsschaltung ist bevorzugt ausgebildet, für einen Laufzustand einen die Leistungsaufnahme- und/oder Leistungsabgabe des Motors bestimmenden Laufparameter transient zu überwachen. Vorteilhafterweise wird ein Laufpara meter also transient über die Zeit für einen Laufzustand während eines Motor betriebs des Gleichstrom-Bürstenmotors überwacht. Beispielsweise können in regelmäßigen oder in zufällig definierten Zeitintervallen Abfragen eines über wachten Laufparameters durch die Betriebsschaltung stattfinden.
Vorzugsweise ist einer der Laufzustände ein Motoranlauf und der Laufparame ter ein Anlaufparameter, insbesondere ein Anlaufstrom- und/oder gradient. Be vorzugt ist die Betriebsschaltung vorzugsweise ausgebildet, den Anlaufparame ter zu überwachen und in Abhängigkeit von dem Anlaufparameter die Schaltein richtung anzusteuern.
Bevorzugt erfolgt ein Einschalten über zwei Bürsten. Das heißt während des Motoranlauf wird vorzugsweise lediglich ein Polpaar bestromt. Vorzugsweise werden nach dem Motoranlauf die übrigen Bürsten stufenweise nacheinander oder gemeinsam in Abhängigkeit von dem überwachten Anlaufparameter hinzu geschaltet, d. h. bestromt. Vorteilhafterweise lässt sich so ein Anlaufstrom oder eine Anlaufstromcharakteristik kontrolliert einstellen und zu hohe Anlaufstrom- Peaks vermeiden. Vorteilhafterweise ist es dann auch möglich kleinere Lei tungsquerschnitte für Kompressor-Versorgungsleitungen zu verwenden. Vorzugsweise ist einer der Laufzustände ein Motordauerlauf und der Laufpara meter ein Dauerlaufparameter, insbesondere eine Drehzahl. Bevorzugt ist die Betriebsschaltung vorzugsweise ausgebildet, den Dauerlaufparameter zu über wachen und in Abhängigkeit von dem Dauerlaufparameter die Schalteinrichtung anzusteuern.
Wie eingangs erwähnt ist eine im Motorbetrieb erzeugte Gleichspannung typi scherweise drehzahlabhängig. Wenn im Motorbetrieb unterschiedliche Lastbe dingungen auftreten kann es vorteilhaft sein eine Drehzahl des Gleichstrom- Bürstenmotors beispielsweise abhängig von einer Last zu senken oder zu er höhen. Bei einer geforderten Drehzahlabsenkung wird vorzugsweise die Bestromung von einer oder von mehreren Bürsten abgeschaltet. Durch einen Motorbetrieb mit einer reduzierten Anzahl Bürsten kann eine Drehzahl des Gleichstrom-Bürstenmotors entsprechend der Anzahl bestromter Bürsten, der bereitgestellten Spannung und des abgeforderten Drehmoments gesenkt wer den.
Vorzugsweise ist einer der Laufzustände ein Motorauslauf und der Laufparame ter ein Auslaufparameter, insbesondere eine Drehzahl. Bevorzugt ist die Be triebsschaltung vorzugsweise ausgebildet, den Auslaufparameter zu überwa chen und in Abhängigkeit von dem Auslaufparameter die Schalteinrichtung an zusteuern. Beispielsweise kann ein Gleichstrom-Bürstenmotor durch ein von dem überwachten Auslaufparameter abhängiges Abschalten von Bürsten der Bürstenanordnung, stufenweise nacheinander oder mehrere Bürsten zusam men, kontrolliert in einen Stillstand überführen.
Vorzugsweise umfasst der Gleichstrom-Bürstenmotor zwei Polpaare, d. h. vier Pole und entsprechend vier Bürsten. Es kann aber auch vorteilhaft sein eine größere Anzahl Polpaare zu verwenden, beispielsweise drei Polpaare und ent sprechend sechs Bürsten.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist die Betriebsschaltung ausgebildet, die Schalteinrichtung derart anzusteuern, dass in Abhängigkeit von dem Laufpara- meter stufenweise die Bestromung einzelner Bürsten der Bürstenanordnung geschaltet wird.
Bevorzugt wird eine Bestromung einzelner Bürsten nacheinander ein- oder ab geschaltet. Die Anzahl der Stufen entspricht dann der Anzahl der ein- oder ab geschalteten Bürsten. Es kann aber auch vorteilhaft sein, wenn die Bestromung mehrerer Bürsten gemeinsam ein- oder abgeschaltet wird. In diesem Fall um fasst das stufenweise Schalten der Bestromung der Bürsten im Vergleich weni ger Stufen, beispielsweise nur eine Stufe zwischen der Bestromung von zwei Bürsten während eines Motoranlaufs und der Bestromung von vier Bürsten während eines Motordauerlaufs. Durch ein stufenweises Ein- oder Abschalten der Bestromung von Bürsten einer Bürstenanordnung kann kontrolliert eine An laufstrom- oder eine Ausschaltstromcharakteristik eingestellt werden oder ge zielt eine Drehzahl des Gleichstrom-Bürstenmotors erhöht oder gesenkt und somit eingestellt werden. Durch das beschriebene Konzept lässt sich vorteilhaf terweise neben einer in Stufen einstellbaren Anlaufstrom- /Ausschaltstromcharakteristik auch eine Drehzahl eines Gleichstrom- Bürstenmotors in Stufen beeinflussen, ohne eine Notwendigkeit den generellen Aufbau eines Gleichstrom-Bürstenmotors selbst grundsätzlich ändern zu müs sen.
Bevorzugt umfasst die Abhängigkeit der Ansteuerung der Schalteinrichtung von dem Laufparameter, dass
- die Schalteinrichtung die Bestromung einer Bürste abschaltet, wenn der Lauf parameter einen Schwellwert überschreitet und/oder
- die Bestromung einer Bürste einschaltet, wenn der Laufparameter einen Schwellwert unterschreitet. Die Betriebsschaltung ist also vorzugsweise ausge bildet, die Schalteinrichtung derart anzusteuern, dass diese die Bestromung einer Bürste abschaltet, wenn der Schwellwert überschritten wird und/oder ein schaltet, wenn der Schwellwert unterschritten wird.
Vorteilhafterweise lässt sich also die Zahl der bestromten Bürsten in Abhängig keit von dem überwachten Laufparameter wählen, insbesondere lässt sich die Zahl der bestromten Bürsten dadurch wählen, dass für den Laufparameter ein Schwellwert definiert wird. Anhand eines Über- oder Unterschreitens des Schwellwerts, kann dann während des Motorbetriebs die Zahl der bestromten Bürsten geändert werden. Ein Schwellwert bietet hierbei ein besonders geeig netes Kriterium. Es ist kann aber auch vorteilhaft sein, die Zahl der bestromten Bürsten in Abhängigkeit von einem weiteren zusätzlichen oder alternativen Kri terium zu wählen.
Vorzugsweise umfasst die Abhängigkeit der Ansteuerung der Schalteinrichtung von dem Laufparameter, dass die Anzahl der in einem Lauzustand bestromten Bürsten der Bürstenordnung von dem überwachten Laufparameter abhängt.
In einer bevorzugten Weiterbildung weist die Schalteinrichtung elektronische Schaltelemente auf. Die Schaltelemente haben bevorzugt wenigstens einen elektrisch leitenden Schaltzustand in dem eine oder mehrere Bürsten im Betrieb mit Strom beaufschlagt werden und in einem elektrisch nichtleitenden Schaltzu stand, in dem eine Bestromung einer oder mehrerer Bürsten unterbrochen ist. Vorzugsweise sind die elektronischen Schaltelemente der Schalteinrichtung von der Betriebsschaltung ansteuerbar. Jeweils ein Schaltelement ist vorzugsweise genau einer Bürste der Bürstenanordnung zugeordnet und schaltet eine
Bestromung dieser zugeordneten Bürste. Vorteilhafterweise können die Bürsten dann unabhängig voneinander geschaltet werden. Besonders bevorzugt sind die Schaltkontakte durch die Betriebsschaltung unabhängig voneinander an steuerbar. Es kann aber auch vorteilhaft sein, wenn mit einem Schaltelement mehrere Bürsten gemeinsam schaltbar sind. Beispielsweise kann lediglich ein Schaltelement in einer Schalteinrichtung vorgesehen sein, welches ausgebildet ist, zwischen einer reduzierten Anzahl bestromter Bürsten und einer vollen An zahl bestromter Bürsten zu schalten.
Vorzugsweise sind die Schaltelemente als Halbleiterschalter auf einer Leiter platte der Betriebsschaltung verbaut. Vorteilhafterweise können die Halbleiter schalter vergleichsweise preiswerte, ungeschützter Halbleiter sein, da es nicht notwendig ist externe Verkabelungsfehler zu berücksichtigen. Bevorzugt sind die Halbleiterschalter Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren.
Vorzugsweise umfasst die Abhängigkeit der Ansteuerung der Schalteinrichtung von dem Laufparameter, dass der Laufparameter durch eine hochfrequente Taktung der Halbleiterschalter begrenzt, insbesondere reduziert, wird. Vorteil hafterweise können z. B. zwei Halbleiterschalter, die jeweils eine Bestromung einer entsprechenden Bürste schalten, über eine schnelle Taktung beispielwei se einen Anlaufstromgradienten beeinflussen. Während eines Motoranlaufs wird vorzugsweise der Anlaufstrom begrenzt oder sogar reduziert. Nach einem Motoranlauf können dann über weitere die Halbleiterschalter die restlichen Bürsten zugeschaltet werden. Vorteilhafterweise lässt sich so während eines Motoranlaufs der Anlaufstromgradient durch eine gepulste Ansteuerung einstel len und zwei weitere Kompressor-Drehzahlen durch eine statische Ansteuerung der übrigen Halbleiterschalter darstellen.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist die Schalteinrichtung ausgebildet, eine Bürste der Bürstenanordnung zeitgesteuert anzusteuern. Die Schalteinrichtung umfasst vorzugsweise eine Zeitsteuerlogik, welche gemeinsam mit Schaltele menten der Schalteinrichtung auf einer Leiterplatte der Betriebsschaltung ver baut ist. Eine zeitgesteuerte Ansteuerung der Bürsten stellt eine vergleichswei se einfache Möglichkeit der Ansteuerung dar. Durch eine zeitgesteuerte An steuerung der Bürsten kann vorteilhafterweise eine Strommessung zur Ansteu erung entfallen. Es ist auch denkbar, dass nur ausgewählte Bürsten der Bürs tenanordnung zeitgesteuert angesteuert werden. Die Zeitsteuerlogik ist vor zugsweise ein integraler Bestandteil derjenigen Leiterplatte, auf der die Schalt elemente verbaut sind.
In einer Weiterbildung ist die Schalteinrichtung ausgebildet, ein Steuersignal von einem wirkverbundenen und dem Gleichstrom-Bürstenmotor übergeordne ten Steuergerät zu empfangen. Vorzugsweise ist die Schalteinrichtung ausge bildet, die Bestromung der Bürste in Abhängigkeit von dem empfangenen Steu ersignal zu schalten. Vorteilhafterweise kann durch das übergeordnete Steuer- gerät unabhängig von der Betriebsschaltung durch ein Steuersignal eine Anzahl bestromter Bürsten der Bürstenanordnung bestimmt werden. Bürsten können also mittels einem entsprechenden Steuersignal ein- oder abgeschaltet werden.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeich nung beschrieben. Diese soll die Ausführungsformen nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der all gemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung kön nen sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Er findung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im Folgen den gezeigten und- beschriebenen bevorzugten Ausführungsform oder be schränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungs bereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte Offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nach folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:
FIG. 1 : eine schematische Darstellung eines Gleichstrom-Bürstenmotors;
FIG. 2: eine schematische Darstellung einer Verschaltung einzelner Bürsten bei einem vier-poligen Gleichstrom-Bürstenmotor; FIG. 3: ein elektrisches Ersatzschaltbild eines vier-poligen Gleichstrom- Bürstenmotors mit vier Bürsten;
FIG. 4: eine mögliche Beschaltung der Bürsten eines vier-poligen Gleichstrom- Bürstenmotors;
Fig. 5: zeigt einen Rotor, der als zwölf-nutiger Anker mit zwölf Einzelspulen, welche die Ankerwicklungen bilden, aufgebaut ist.
In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Gleichstrom-Bürstenmotors 100 gezeigt. Der Gleichstrom-Bürstenmotor 100 ist vorzugsweise zum Antrei ben eines Kompressors (nicht gezeigt), insbesondere als Bestandteil einer Drucklufterzeugung mit einem Kompressor und einem Gleichstrom- Bürstenmotor, vorzugsweise für eine Luftfederanlage, eine Bremsanlage od. dgl. Druckluftabnehmer eines Fahrzeugs, vorgesehen. Der gezeigte Gleich strom-Bürstenmotor 100 ist ein Permanentmagnet-Gleichstrom-Bürstenmotor.
Der Gleichstrom-Bürstenmotor 100 weist einen Stator 102 und einen Rotor 104 mit jeweils zwei Polpaaren auf. In einer hier nicht gezeigten Ausführungsform weist der Gleichstrom-Bürstenmotor mehr als zwei Polpaare auf, wobei generell zwei oder drei Polpaare bevorzugt sind. Der Rotor 104 ist in dem Stator 102 drehbar gelagert.
Der Rotor 104 ist über einen Kommutator 106 und eine Bürstenanordnung 108 mit einer Mehrzahl von Bürsten 109.n, bestrombar. In dem gezeigten Ausfüh rungsbeispiel sind die Bürsten 109.n als Kohlebürsten realisiert, die jeweils über eine Feder mechanisch an den Kommutator 106 gedrückt werden. Die Bürsten 109.n befinden sich also permanent in Kontakt mit dem Kommutator 106. In einer hier nicht gezeigten Ausführungsform sind die Bürsten Metallbürsten.
Der Gleichstrom-Bürstenmotor 100 weist weiterhin eine mit der Bürstenanord nung 108 steuerverbundene Schalteinrichtung 1 10 zum Schalten einer Bestro- mung einer der Bürstenl 09. n auf. Typischerweise haben mit einem Gleichstrom-Bürstenmotor angetriebene Kompressoren für Fahrzeug-Luftfederungen eine Leistungsaufnahme von 180 W bis 400 W, bei einem Anlaufstrom von bis zu 120 A. Ein solcher kurzzeitige Anlaufstrom-Peak kann sich negativ auf das elektrische Bordnetz eines Fahr zeugs, eine Sicherungsauslegung eines Kompressor-Versorgungskreises aus wirken oder einen Spannungsfall über Kompressor-Versorgungsleitungen im Anlaufmoment bewirken und sich damit auf eine Anlauffähigkeit des Kompres sors auswirken.
Beispielsweise kann es im Falle einer geschwächten Starterbatterie Vorkom men, dass ein Gleichstrom-Bürstenmotor einen steilen Stromanstieg beim Ein schalten eines Kompressors nicht ausregeln kann. Dadurch kann es zu einer kurzzeitigen Unterspannung in einem Fahrzeug kommen, die wiederum zu Funktionsstörungen anderer Fahrzeugsysteme führen kann. Wird der Kompres sor beispielsweise über ein Relais ausgeschaltet, kann die schlagartige Redu zierung des Strombedarfes um ca. 25 A - 30 A bei geschwächter Batterie eine unerwünschte Beeinflussung des Bordnetzes bewirken. Eine solche Beeinflus sung kann eine kurzfristige Überspannung betreffen, die wiederum zu Funkti onsstörungen anderer Systeme eines Fahrzeugs führen kann.
Ein Spannungsfall AU über Kompressor-Versorgungsleitungen mit dem Lei tungswiderstand Ri_eitung berechnet sich aus
AU = R|_eitung X lAnlauf-
Bei einem hohen Anlaufstrom lAniauf ergibt sich ein hoher Spannungsfall, der die Startfähigkeit des Kompressors reduzieren kann. Zur Kompensation eines Spannungsfalls ist es vorteilhaft entsprechende ausgelegte Leitungsquerschnit te für Kompressor-Versorgungsleitungen zu verwenden.
Heutzutage werden zum Antreiben eines Kompressors typischerweise zweipo lige Gleichstrom-Bürstenmotoren, d. h. mit genau einem Polpaar, eingesetzt. Um eine Einschaltstrom- oder Ausschaltstromcharakteristik einzustellen wird in der Regel eine CSS (Compressor-Soft-Start)-Steuerung verwendet, um insbe sondere einen Sanft-Anlauf zu bewirken. Eine Strombegrenzung mittels CSS erfordert jedoch ein hochdynamisch schaltbares Element sowie eine hochdy namische Messung eines Kompressorstroms und ist somit mit vergleichsweise hohem technischen Aufwand verbunden. Eine Drehzahlstellung mittels CSS wird aufgrund von erhöhten Anforderungen beispielsweise an eine Kühlung und Schaltelemente bislang nicht genutzt.
Gemäß dem Konzept der Erfindung ist nun -wie hier dargestellt- vorgesehen, dass die Schalteinrichtung 1 10 in einer Betriebsschaltung 1 12 des Gleichstrom- Bürstenmotors 100 von dieser ansteuerbar integriert ist. Die Schalteinrichtung 110 weist elektronische Schaltelemente 1 14 auf, die in der gezeigten Ausfüh rungsform Halbleiterschalter sind.
Die Betriebsschaltung 1 12 ist ausgebildet, Laufzustände des Motors 100, zu steuern. Die Laufzustände können beispielsweise einen Motoranlauf, einen Mo tordauerlauf, und einen Motorauslauf umfassen. Die Betriebsschaltung 1 12 ist weiterhin ausgebildet für wenigstens einen der Laufzustände einen die Leis tungsaufnahme und/oder Leistungsabgabe des Motors 100 bestimmenden Laufparameter, zu überwachen und in Abhängigkeit von dem Laufparameter die Schalteinrichtung 1 10 anzusteuern.
Die Betriebsschaltung 1 12 ist gemäß dem Konzept der Erfindung ausgebildet, die Schalteinrichtung 110 derart anzusteuern, dass mittels der Schalteinrichtung 110 die Bestromung der Bürste 109.n schaltbar ist, wenn der Laufparameter einen Schwellwert erreicht.
Damit ist ein Auftreten großer Stromgradienten, insbesondere beim Ein- und Ausschalten des erfindungsgemäßen Gleichstrom-Bürstenmotors, verlässlich vermieden. Insbesondere steuert die Betriebsschaltung 1 12 die Schalteinrichtung 1 10 im Betrieb derart an, dass die Schalteinrichtung 1 10 die Bestromung einer Bürste 109.n abschaltet, wenn der Schwellwert überschritten wird und/oder einschaltet, wenn der Schwellwert unterschritten wird. Die Anzahl der in einem Lauzustand bestromten Bürsten 109.n der Bürstenordnung 108 hängt also von dem über wachten Laufparameter ab. Insbesondere wird die Bestromung einzelner Bürs ten 109.n der Bürstenanordnung 108 in Abhängigkeit von dem überwachten Laufparameter stufenweise geschaltet.
Auch mit einer reduzierten Anzahl von Bürsten 109.n ist der hier beschriebene Gleichstrom-Bürstenmotor mit zwei Polpaaren lauffähig. Vorteilhafterweise kann durch einen Motorbetrieb mit einer reduzierten Anzahl Bürsten 109.n, eine Drehzahl des Gleichstrom-Bürstenmotors 100 oder eine Anlauf- oder Auslauf stromcharakteristik durch eine flexible Wahl der Anzahl bestromten Bürsten 109.n, gezielt und kontrolliert eingestellt werden.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Verschaltung einzelner Bürs ten 209.1 , 209.2, 209,3, 209.4 bei einem vier-poligen Gleichstrom-Bürstenmotor 200. Der Gleichstrom-Bürstenmotor 200 umfasst eine Schalteinrichtung 210 mit vier Schaltelementen 214.1 , 214.2, 214.3, 214.4. Die Schaltelemente 214.1 und
214.2 sind jeweils unabhängig voneinander und von den Schaltelementen
214.3 und 214.4 schaltbar, wohingegen die Schaltelemente 214.3 und 214.4 nur gemeinsam über einen Taster 215 aber unabhängig von den Schaltelemen ten 214.1 und 214.2 schaltbar sind.
Die Schaltelemente 214.1 , 214.2, 214.3, 214.4 haben jeweils einen geschlos senen, elektrisch leitenden Schaltzustand in dem eine Bürste 209.1 , 209.2, 209,3, 209.4 mit Strom beaufschlagbar ist und einen geöffneten, elektrisch nichtleitenden Schaltzustand, in dem eine Bestromung einer Bürste unterbro chen ist. Die elektronischen Schaltelemente 214.1 , 214.2, 214.3, 214.4 der Schalteinrichtung 210 sind von einer Betriebsschaltung (nicht gezeigt) ansteu erbar. In der gezeigten Ausführungsform ist jeweils ein Schaltelement 214.1 , 214.2, 214.3, 214.4 genau einer Bürste 209.1 , 209.2, 209,3, 209.4 zugeordnet und schaltet eine Bestromung dieser zugeordneten Bürste 209.1 , 209.2, 209,3, 209.4. Die Schaltelemente sind über Anschlussleitungen 21 1.1 und 21 1.2 mit einer Spannungsversorgung 213, beispielsweise einer Autobatterie, verbunden. Insbesondere sind die Schaltelemente 214.2 und 214. 4 mit dem Pluspol der Spannungsversorgung 213 verbunden und werden im Betrieb mit einer positi ven Spannung beaufschlagt. Die Schaltelemente 214.1 und 214. 3 sind mit dem Minuspol der Spannungsversorgung 213 verbunden und werden im Betrieb mit einer negativen Spannung beaufschlagt.
Eines der Schaltelemente ist über eine der Leitungen 216.1 , 216.2, 216.3,
216.4 jeweils mit einer der Bürsten 209.1 , 209.2, 209,3, 209.4 elektrisch ver bunden. Wenn sich ein Schaltelement 216.1 , 216.2, 216.3, 216.4 im leitenden Zustand befindet und von der Spannungsversorgung mit einer Spannung be aufschlagt wird, so wird die entsprechende Bürste bestromt. Da die Schaltele mente 214.2 und 214. 4 im Betrieb mit einer positiven Spannung beaufschlagt, werden auch die Bürsten 209.2 und 209.4 mit einer positiven Spannung beauf schlagt. Entsprechend werden die Bürsten 209.1 und 209.3 im Betrieb mit einer negativen Spannung beaufschlagt.
Die Bürsten 209.1 , 209.2, 209,3, 209.4 befinden sich in Kontakt mit einem Kommutator 206 des Gleichstrom-Bürstenmotors 200 und zwar derart, dass entlang des Umfangs des Kommutators 206 eine mit einer positiven Spannung beaufschlagbare Bürste auf eine mit einer negativen Spannung beaufschlagba re Bürste folgt. Wenn die Bürsten 209.1 , 209.2, 209,3, 209.4 bestromt sind, wird ein Rotor über den Kommutator 206 und die bestromten Bürsten bestromt. Der Rotor 204 befindet sich drehbar gelagert in einem Stator (nicht gezeigt). Der Stator ist unbeweglich und weist einen Hohlzylinder auf, an welchem ein Per manentmagnet 203 angebracht ist, der ein statisches Stator-Magnetfeldes er zeugt, in welchem der Rotor 204 angeordnet ist. Beim dem gezeigten Gleich strom-Bürstenmotor 200 handelt es sich entsprechend um einen Permanent- magnet-Gleichstrom-Bürstenmotor 200. Der Gleichstrom-Bürstenmotor 200 kann mit einer vollen Anzahl Bürsten 209.1 , 209.2, 209,3, 209.4, d. h. mit vier Bürsten, oder mit einer reduzierten Anzahl Bürsten 209.1 , 209.2, 209,3, 209.4, d. h. weniger als vier aber mindestens zwei der Bürsten 209.1 , 209.2, 209,3, 209.4 betrieben werden. Auch mit einer redu zierten Anzahl Bürsten 209.1 , 209.2, 209,3, 209.4 bleibt der Gleichstrom- Bürstenmotor 200 bei veränderter Charakteristik und reduzierter Leistungsdich te lauffähig. So kann bei Bedarf, z. B. abhängig von einem überwachten Lauf parameter, ein Laufparameter, beispielsweise ein Anlaufstrom oder einer Dreh zahl, in einem entsprechenden Laufzustand des Gleichstrom-Bürstenmotors 200 eingestellt werden.
Für das in Fig. 3 gezeigte elektrische Ersatzschaltbild eines vier-poligen Gleich strom-Bürstenmotors kann beispielhaft eine Abhängigkeit eines Anlaufstroms von einer Anzahl bestromter Bürsten rechnerisch betrachtet werden. Den im Folgenden beschriebenen Beispielrechnungen liegt ein Modell eines Rotors 300 zugrunde, der als zwölf-nutiger Anker mit zwölf Einzelspulen 304, den Anker wicklungen, aufgebaut ist. Der Rotor 300 soll in diesem Beispielmodell maximal mit vier Bürsten 309.1 , 309.2, 309,3, 309.4 bestromt werden können.
Der Widerstand einer solchen Einzelspule RSpUie kann hier beispielsweise als Rspuie = 66.67 mOhm und die Bürsten- und Drosselwiderstände zusammen als R Bürste + R Drossel = 50 mOhm angenommen werden. Für die Details der Berech nung des Gesamtwiderstands wird an dieser Stelle auf die Beschreibung der Fig. 5 verwiesen; für die Berechnung der im Folgenden angegebenen Anlauf ströme I Anlaut wurde das ohmsche Gesetz verwendet.
Für den Fall, dass der Rotor 300 bei diesem Beispielmodell mit zwei Bürsten 309.1 , 309.2 bestromt wird, beträgt dann der Anlaufstrom lAniauf = 48 A, bei einer Spannung von 12 V und einem Gesamtwiderstand von 250 mOhm.
Für den Fall, dass der Rotor 300 bei diesem Beispielmodell mit drei Bürsten, beispielsweise 309.1 , 309.2, 309.3 oder 309.1 , 309.2, 309.4, bestromt wird, be- trägt dann der Anlaufstrom lAniauf = 68 A, bei einer Spannung von 12 V und ei nem Gesamtwiderstand von 175 mOhm.
Für den Fall, dass bei diesem Beispielmodell der Rotor 300 mit vier Bürsten 309.1 , 309.2, 309.3, 309.4, bestromt wird, beträgt dann der Anlaufstrom lAniauf = 120 A, bei einer Spannung von 12 V und einem Gesamtwiderstand von 100 mOhm.
Diese beispielhafte rechnerische Betrachtung der Abhängigkeit des Anlauf stroms von der Anzahl bestromter Bürsten am Beispiel eines vier-poligen Gleichstrom-Bürstenmotors verdeutlicht also, dass ein Anlaufstrom, durch Re duzieren der Anzahl bestromter Bürsten auf zwei bzw. drei bestromte Bürsten, im Vergleich zu einem Motoranlauf mit vier bestromten Bürsten deutlich gesenkt werden kann - bei dem vorliegenden Beispielmodell von 120A auf 68A bei drei Bürsten (also deutlich unter 75%) bzw. 48A bei zwei Bürsten (also deutlich un ter 50%). Diese beispielhafte rechnerische Betrachtung der Abhängigkeit des Anlaufstroms von der Anzahl bestromter Bürsten -hier am Beispiel eines vier- poligen Gleichstrom-Bürstenmotors- verdeutlicht, dass ein Anlaufstrom, durch Reduzieren der Anzahl bestromter Bürsten überproportional im Vergleich zur Zahl der Bürsten gesenkt werden kann.
Fig. 4 zeigt beispielhaft eine mögliche Beschaltung der Bürsten 409.1 , 409.2, 409,3, 409.4 eines vier-poligen Gleichstrom-Bürstenmotors 400.
Der Gleichstrom-Bürstenmotors 400 umfasst einen Kommutator 406, einen Ro tor, einen Stator (beide nicht gezeigt) und eine Schalteinrichtung mit drei Schaltelementen 414.1 , 414.2, 414.3. Mit dem Schaltelement 414.1 lassen sich die Bestromungen der Bürsten 409.1 und 409.2 gemeinsam ein- und abschal ten. Die Bürste 409.2 liegt bevorzugt dauerhaft auf Masse. In einer hier nicht gezeigten Ausführungsform ist neben den Schaltelementen 414.1 , 414.2, 414.3 ein viertes Schaltelement vorgesehen, mit welchem alle Bürsten 409.1 , 409.2, 409,3, 409.4 gemeinsam ein- und abgeschaltet werden können. Mit dem Schaltelement 414.3 lässt sich die Bestromung der Bürste 409.3 ein- und abschalten, sodass durch Schalten dieses Schaltelements 414.3 in einen Motorbetrieb des Gleichstrom-Bürstenmotors 400 mit drei bestromten Bürsten 409.1 , 409.2, 409,3 gewechselt werden kann, wenn sich das Schaltelement 414.2 im nichtleitenden Schaltzustand befindet und die Bürste 409.4 somit ab geschaltet ist. In einem Laufzustand des Gleichstrom-Bürstenmotors 400, in dem sich das Schaltelement 414.3 im leitenden Schaltzustand befindet, kann, durch Schalten des Schaltelements 414.2 in einen leitenden Schaltzustand, in einen Laufzustand mit vier bestromten Bürsten 409.1 , 409.2, 409,3, 409.4 ge wechselt werden.
Die Bürsten 409.1 , 409.2, 409,3, 409.4 sind in elektrisch leitfähigem Kontakt mit dem Kommutator 406, der entsprechend der Schaltung der Bestromung durch die Schaltelemente 414.1 , 414.2, 414.3 mit einer unterschiedlichen Anzahl Bürsten 409.1 , 409.2, 409,3, 409.4 bestromt werden kann.
Die Schalteinrichtung des in Fig. 4 gezeigten Gleichstrom-Bürstenmotors 400 umfasst eine Zeitsteuerlogik 418, welche gemeinsam mit Schaltelementen 414.1 , 414.2, 414.3 der Schalteinrichtung auf einer Leiterplatte der Betriebs schaltung (nicht gezeigt) des Gleichstrom-Bürstenmotors 400 verbaut ist. Die Zeitsteuerlogik 418 ist mit einer Spannungsversorgung 421 verbunden. Mittels der Zeitsteuerlogik 418 können Bürsten 409.1 , 409.2, 409,3, 409.4 einzeln oder in Gruppen über die Schaltelemente 414.1 , 414.2, 414.3 zeitgesteuert ange steuert werden. Eine zeitgesteuerte Ansteuerung der Bürsten 409.1 , 409.2, 409,3, 409.4 stellt eine vergleichsweise einfache Möglichkeit der Ansteuerung dar, bei der beispielsweise eine Strommessung zur Ansteuerung entfallen kann. Beispielsweise kann eine zeitgesteuerte Ansteuerung der Bürsten derart erfol gen, dass beim Einschalten des Gleichstrom-Bürstenmotors 400 zunächst zwei der Bürsten 409.1 , 409.2, 409,3, 409.4 bestromt werden und mit einer zeitlichen Verzögerung von jeweils 100 ms, dann nacheinander eine dritte und eine vierte Bürste dazu geschaltet werden. Zum gemeinsam Abschalten aller Bürsten 409.1 , 409.2, 409,3, 409.4 kann dann die Bestromung der Bürsten kollektiv un terbrochen werden. Während eines Motordauerlaufs, kann dann eine Bestro- mung von zwei der Bürsten 409.1 , 409.2, 409,3, 409.4 abgeschaltet werden, um beispielweise eine Drehzahlabsenkung zu bewirken.
Der gezeigte Gleichstrom-Bürstenmotor 400 ist weiterhin mit einem dem
Gleichstrom-Bürstenmotor 400 übergeordneten Steuergerät 420 wirkverbun den, z. B. drahtlos, jedoch bevorzugt elektrisch über eine Steuerleitung 422. Durch das Steuergerät kann automatisch oder durch eine manuelle Eingabe eines Nutzers ein Steuersignal bereitgestellt und über einen Filter 419 an die Schalteinrichtung übertragen werden. Die Schalteinrichtung ist ausgebildet, die Bestromung der Bürsten 409.1 , 409.2, 409,3, 409.4 in Abhängigkeit von dem empfangenen Steuersignal zu schalten. Zusätzlich zu einer Schaltung der Bestromung der Bürsten 409.1 , 409.2, 409,3, 409.4 kann also durch ein von der übergeordneten Steuergerät 420 bereitgestelltes Steuersignal eine Bestromung der Bürsten 409.1 , 409.2, 409,3, 409.4 geschaltet werden. Durch das überge ordnete Steuergerät 418 kann also unabhängig von einer Betriebsschaltung (nicht gezeigt) durch ein Steuersignal eine Anzahl bestromter Bürsten 409.1 , 409.2, 409,3, 409.4 bestimmt werden, um so beispielweise einen Anlaufstrom oder eine Drehzahl einzustellen.
Fig. 5 zeigt einen Rotor 500, der als zwölf-nutiger Anker 502 mit zwölf Einzel spulen 504, den Ankerwicklungen, aufgebaut ist. Die Einzelspulen 504 sind elektrisch leitfähig mit elektrischen Anschlüssen 508 eines Kommutators ver bunden. In der gezeigten Darstellung sind Bürsten 506.1 , 506.2, 506.3, 506.4 mit jeweils einem der elektrischen Anschlüsse 508 des Kommutators mecha nisch und elektrisch leitfähig in Kontakt.
In a), b) und c) sind verschiedene, --auch in Bezug auf Fig. 3 diskutierte-- Vari anten einer Bestromung des Rotors 500 dargestellt, die sich jeweils in der An zahl bestromter Bürsten 506.1 , 506.2, 506.3, 506.4 unterscheiden.
Im Moment eines Einschaltens einer Bestromung wird ein Strom durch die An kerwicklungen nur durch deren ohmschen Widerstand begrenzt. Der Gesamt widerstand Roesamt ergibt sich durch die elektrische Verschaltung der Einzelspu- len mit dem Widerstand RSpuie d. h. den entsprechenden Reihen- und Parallel schaltungen der einzelnen Spulenwiderstände Rspuie, sowie der Anzahl paralle ler, stromdurchflossener Ankerzweige.
In a) wird der Rotor 500 mit zwei Bürsten 506.1 , 506.2 bestromt und die
Bestromung der Bürsten 506.3, 506.4 ist abgeschaltet. Eine solche Bestromung kann zum Beispiel geeignet sein, während eines Motoranlaufs einen Anlauf strom zu begrenzen -wie dies beispielhaft anhand von Fig. 3 erläutert wurde- oder während eines Motordauerlaufs eine Drehzahlabsenkung zu bewirken. Ein Stromfluss erfolgt hier über zwei Ankerzweige - der Gesamtwiderstand ergibt sich in diesem Fall nach den allgemeinen Regeln und obigem Beispielmodell demzufolge aus RGesamt = (Rspuie* Rspuie) / (3 * Rspuie + 9 * Rspuie) + 2 * 50 mOhm = 2.25 * Rspuie + 1 00 mOhm.
In b) wird der Rotor 500 über drei Bürsten 506.1 , 506.2, 506.3 bestromt und die Bestromung der Bürste 506.4 ist abgeschaltet. Auch hier erfolgt der Stromfluss über zwei Ankerzweige. Der Gesamtwiderstand ergibt sich in diesem Fall nach den allgemeinen Regeln und obigem Beispielmodell demzufolge aus RGesamt = 3 * Rspuie / 2 + 50 / 2 mOhm + 50 mOhm = 1 .5 * Rspuie + 75 mOhm.
In c) wird der Rotor 500 über alle vier Bürsten 506.1 , 506.2, 506.3, 506.4 bestromt. Der Stromfluss erfolgt dann über vier Ankerzweige. Der Gesamtwi derstand ergibt sich in diesem Fall nach den allgemeinen Regeln und obigem Beispielmodell demzufolge aus RGesamt = 3 * RSpUie / 4 + 50 / 2 mOhm + 50 / 2 mOhm = 0.75 * RSpUie + 50 mOhm.
Bezuqszeichenliste Gleichstrom-Bürstenmotor
Stator
Rotor
Kommutator
Bürstenanordnung
Mehrzahl von Bürsten
Schalteinrichtung
Betriebsschaltung
elektronische Schaltelemente
Gleichstrom-Bürstenmotor
Permanentmagnet
Rotor
Kommutator
209.2, 209.3, 209.4Bürsten
Schalteinrichtung
21 1.2 Anschlussleitungen
Spannungsversorgung
214.2, 214.3, 214.4elektronische Schaltelemente Taster
216.2, 216.3, 216.4Leitungen
Rotor
zwölf Einzelspulen
309.2, 309.3, 309.4Bürsten
Gleichstrom-Bürstenmotor
Kommutator
409.2, 409,3, 409.4Bürsten
414.2, 414.3 Schaltelemente
Zeitsteuerlogik
Filter
übergeordnetes Steuergerät
Spannungsversorgung 422 Steuerleitung
500 Rotor
502 zwölf-nutiger Anker
504 zwölf Einzelspulen
506.1 , 506.2, 506.3, 506.4 Bürsten508 elektrischen Anschlüsse des Kommuta tors

Claims

Ansprüche
1 . Gleichstrom-Bürstenmotor (100) zum Antreiben eines Kompressors, ins besondere eine Drucklufterzeugung mit einem Kompressor und einem Gleich strom-Bürstenmotor, vorzugsweise für eine Luftfederanlage, eine Bremsanlage od. dgl. Druckluftabnehmer eines Fahrzeugs, wobei der Gleichstrom-Bürstenmotor aufweist:
einen Stator (102) und einen Rotor (104) mit jeweils einer Mehr zahl von Polpaaren, wobei
der Rotor (104) über einen Kommutator (106) und eine Bürstena nordnung (108) mit einer Mehrzahl von Bürsten (109.n), bestrom bar ist,
eine mit der Bürstenanordnung (108) steuerverbundene Schaltein richtung (1 10) zum Schalten einer Bestromung einer der Bürsten (109. n),
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schalteinrichtung (1 10) in einer Betriebsschaltung (1 12) des Gleichstrom-Bürstenmotors (100) von dieser ansteuerbar integriert ist, wobei
die Betriebsschaltung (1 12) ausgebildet ist, Laufzustände des Mo tors (100), zu steuern, wobei die Betriebsschaltung für den Lauf zustand einen die Leistungsaufnahme- und/oder Leistungsabgabe des Motors bestimmenden Laufparameter, überwacht und in Ab hängigkeit von dem Laufparameter die Schalteinrichtung ansteu ert, derart, dass
mittels der Schalteinrichtung (1 10) die Bestromung der Bürste schaltbar ist wenn der Laufparameter einen Schwellwert erreicht.
2. Gleichstrom-Bürstenmotor (100) nach Anspruch 1 , wobei der Laufzu stand ein Motoranlauf und der Laufparameter ein Anlaufparameter, insbesonde re ein Anlaufstrom- und/oder gradient, ist, wobei die Betriebsschaltung (1 12) ausgebildet ist den Anlaufparameter zu überwachen und in Abhängigkeit von dem Anlaufparameter die Schalteinrichtung (1 10) anzusteuern.
3. Gleichstrom-Bürstenmotor (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Laufzustand ein Motordauerlauf und der Laufparameter ein Dauerlaufparame ter, insbesondere eine Drehzahl, ist, wobei die Betriebsschaltung (112) ausge bildet ist den Dauerlaufparameter zu überwachen und in Abhängigkeit von dem Dauerlaufparameter die Schalteinrichtung (1 10) anzusteuern.
4. Gleichstrom-Bürstenmotor (100) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Laufzustand ein Motorauslauf und der Laufparameter ein Auslaufparameter, insbesondere eine Drehzahl, ist, wobei die Betriebsschal tung (1 12) ausgebildet ist den Auslaufparameter zu überwachen und in Abhän gigkeit von dem Auslaufparameter die Schalteinrichtung (1 10) anzusteuern.
5. Gleichstrom-Bürstenmotor (100) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Betriebsschaltung (1 12) ausgebildet ist die Schalteinrichtung (1 10) derart anzusteuern, dass die Bestromung einzelner Bürsten der Bürsten anordnung in Abhängigkeit von dem Laufparameter stufenweise geschaltet wird.
6. Gleichstrom-Bürstenmotor (100) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Abhängigkeit umfasst, dass
- die Schalteinrichtung (1 10) die Bestromung einer Bürste (109. n) abschaltet, wenn der Laufparameter einen Schwellwert überschreitet und/oder
- die Bestromung einer Bürste (109.n) einschaltet, wenn der Laufparameter ei nen Schwellwert unterschreitet.
7. Gleichstrom-Bürstenmotor (100) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Abhängigkeit umfasst, dass die Anzahl der in einem Lauzu stand bestromten Bürsten (109.n) der Bürstenordnung (108) von dem über wachten Laufparameter abhängt.
8. Gleichstrom-Bürstenmotor (100) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Schalteinrichtung (1 10) elektronische Schaltelemente (1 14) aufweist und die Schaltelemente (1 14) als Halbleiterschalter auf einer Leiter platte der Betriebsschaltung (1 12) verbaut sind.
9. Gleichstrom-Bürstenmotor nach Anspruch 8, wobei die Abhängigkeit um fasst, dass der Laufparameter durch eine hochfrequente Taktung der Halb leiterschalter begrenzt, insbesondere reduziert, wird.
10. Gleichstrom-Bürstenmotor nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis
9, wobei die Schalteinrichtung ausgebildet ist eine Bürste der Bürstenanord nung zeitgesteuert anzusteuern, insbesondere als Zeitsteuerlogik gemeinsam mit Schaltelementen der Schalteinrichtung auf einer Leiterplatte der Betriebs schaltung verbaut ist.
11. Gleichstrom-Bürstenmotor nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis
10, wobei die Schalteinrichtung ausgebildet ist, ein Steuersignal von einem wirkverbundenen und dem Gleichstrom-Bürstenmotor übergeordneten Steuer gerät zu empfangen, insbesondere die Bestromung der Bürste in Abhängigkeit von dem empfangenen Steuersignal zu schalten.
12. Drucklufterzeugung, vorzugsweise für eine Luftfederanlage, eine Brems anlage od. dgl. Druckluftabnehmer eines Fahrzeugs, mit einem Kompressor und einem Gleichstrom-Bürstenmotor, wobei der Gleichstrom-Bürstenmotor nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 1 1 ausgebildet ist.
13. Verfahren zum Betreiben eines Gleichstrom-Bürstenmotors, insbesonde re zum Betreiben einer Drucklufterzeugung mit einem Kompressor und einem Gleichstrom-Bürstenmotor, vorzugsweise zum Betreiben einer Luftfederanlage, einer Bremsanlage od. dgl. Druckluftabnehmer eines Fahrzeugs, wobei der Gleichstrom-Bürstenmotor aufweist:
einen Stator und einen Rotor mit jeweils einer Mehrzahl von Polpaaren, wobei der Rotor über einen Kommutator und eine Bürstenanordnung mit einer Mehrzahl Bürsten bestrombar ist,
eine mit der Bürstenanordnung steuerverbundene Schalteinrichtung zum Schalten einer Bestromung einer Bürste, wobei
die Schalteinrichtung in einer Betriebsschaltung des Gleichstrom- Bürstenmotors von dieser ansteuerbar integriert ist,
wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass
die Betriebsschaltung Laufzustände des Motors steuert,
die Betriebsschaltung für den Laufzustand einen die Leistungsaufnahme- und/oder Leistungsabgabe des Motors bestimmenden Laufparameter überwacht, und
in Abhängigkeit von dem Laufparameter die Schalteinrichtung ansteuert, wobei
die derart angesteuerte Schalteinrichtung die Bestromung der Bürste schaltet, wenn der Laufparameter einen Schwellwert erreicht.
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