DE10124436A1 - Bürstenloser Gleichstromantrieb - Google Patents
Bürstenloser GleichstromantriebInfo
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Abstract
Bei einem bürstenlosen Gleichstromantrieb mit einem Synchronmotor (10), der einen eine mehrphasige Statorwicklung (15) tragenden Stator (12) und einen mit Permanentmagnetpolen (20) bestückten Rotor (13) aufweist, und mit einer der Statorwicklung (15) vorgeschalteten Schaltvorrichtung (11) zum Kommutieren der Statorwicklung (15) ist zur Erzwingung eines Fail-Silent-Verhaltens im Rotor (13) eine Felderregerwicklung (21) angeordnet, die im Fehlerfall so bestrombar ist, daß sie einen den Magnetfluß der Permanentmagnetpole (20) entgegengerichteten Magnetfluß erzeugt (Fig. 2).
Description
Die Erfindung geht aus von einem bürstenlosen
Gleichstromantrieb nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
In Kraftfahrzeugen werden permanentmagneterregte, bürstenlose
Gleichstromantriebe zu vielfältigen Zwecken, darunter auch
für elektrische Servolenkungen, verwendet. Diese
Gleichstromantriebe weisen einen Synchronmotor mit einer
Stator- oder Ankerwicklung und einem permanentmagneterregten
Rotor auf. Die Ankerwicklung ist über einen Wechselrichter in
Brückenschaltung mit Halbleiter-Leistungschaltern an das
Gleichspannungsnetz angeschlossen. Der die Kommutierung der
Statorwicklung bewirkende Wechselrichter wird von einem
elektronischen Steuergerät angesteuert.
In der DE 37 09 168 A1 ist ein an einem Gleichspannungsnetz
betriebener Synchronmotor beschrieben, in dem drei von einem
Steuergerät angesteuerte Halbleiter-Leistungschalter in den
Wicklungsträngen der in Stern geschalteten Statorwicklung
angeordnet sind. Treten in der Statorwicklung und/oder in den
Leistungsschaltern Fehler auf, so kann der Gleichstromantrieb
ein dauerhaftes elektromagnetisches Bremsmoment erzeugen,
ohne daß eine Gleichspannung angelegt ist, da nunmehr der
Synchronmotor als Generator gegen einen niederohmigen
Lastwiderstand arbeitet. In vielen Anwendungsfällen
beeinträchtigt ein solches Bremsmoment die Funktion des
Aggregats oder Systems, in dem der Gleichstromantrieb
eingesetzt ist. So erzwingt z. B. bei elektrischen
Servolenkungen das im Fehlerfall auftretende Bremsmoment
erhebliche Lenkkräfte, denen der Fahrer mit eigener
Körperkraft für die erforderlichen Gegenmaßnahmen begegnen
muß. Damit ist die Gefahr gegeben, daß der Fahrer das
Fahrzeug nicht mehr wie gewünscht lenken kann und die
Kontrolle über das Fahrzeug verliert. Es ist bekannt, an
diesen Gleichstromantrieben Einrichtungen vorzusehen, die in
einem solchen Fehlerfall zu einem sog. Fail-Silent-Verhalten
des Gleichstromantriebs führen, d. h. daß der fehlerhafte
Gleichstromantrieb keinen störenden oder nachteiligen Einfluß
auf das Aggregat oder das System ausübt, dieses also so
arbeitet, als ob der Gleichstromantrieb nicht vorhanden wäre.
Bei einer bekannten elektrischen Servolenkung wird zur
Erzeugung des angestrebten Fail-Silent-Verhaltens eine
mechanische Kupplung verwendet, über die die Abtriebswelle
des Synchronmotors in das Lenkgetriebe eingreift. Im
Fehlerfall wird die Kupplung geöffnet und somit der Motor
mechanisch vom Lenksystem getrennt.
Es ist eine hybriderregte, elektrische Maschine bekannt
(EP 0 729 217 B1), bei der das Magnetfeld des Rotors sowohl
mittels Permanentmagnete als auch mittels einer über
Schleifringe mit Erregerstrom versorgten Felderregerwicklung
erzeugt wird. Der Rotor ist in zwei Rotorhälften axial
unterteilt, die mit axialem Abstand zueinander auf der
Rotorwelle montiert sind. Im Blechpaket jeder Rotorhälfte
sind Aufnahmeöffnung vorgesehen, in die die Permanent- oder
Dauermagnete eingesetzt sind. Die Dauermagnete sind
hinsichtlich ihrer Polarität in den Rotorhälften so
angeordnet, daß sie in der einen Rotorhälfte mit ihrem
Nordpol und in der anderen Rotorhälfte mit ihrem Südpol zum
Luftspalt der Maschine weisen. Die Dauermagnete in den beiden
Rotorhälften sind gegeneinander um eine Polteilung versetzt.
In den zwischen den beiden Rotorhälften bestehenden
Zwischenraum ist die als Ringspule ausgebildete
Felderregerwicklung eingefügt. Wird die Felderregerwicklung
mit Gleichstrom gespeist, so wird ein den magnetischen Fluß
der Dauermagnete je nach Stromrichtung des Erregerstroms
verstärkender oder schwächender magnetischer Fluß erzeugt.
Hierdurch ergibt sich ein großer Regelbereich für die
Drehzahl bzw. Spannung der Maschine.
Der erfindungsgemäße bürstenlose Gleichstromantrieb mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß das gewünschte
Fail-Silent-Verhalten des Gleichstromantriebs ohne teuere
externe Bauelemente, wie sie mechanische Kupplungen
darstellen, mit einfachen Steuervorgängen im
Gleichstromantrieb selbst erreicht wird. Durch entsprechende
Ansteuerung der Felderregerwicklung kann im Fehlerfall das
Magnetfeld der Permanentmagnete durch das Magnetfeld der
Felderregerwicklung reduziert oder aufgehoben werden, so daß
im Synchronmotor keine oder nur eine reduzierte induzierte
Spannung auftritt und somit kein oder nur ein reduzierter
Kurzschlußstrom fließen kann, der kein oder nur ein sehr
kleines Bremsmoment erzeugt. Dabei führt eine moderate, von
der Temperatur abhängige Senkung des Magnetfelds zu einer
Senkung des Bremsmoments und vermeidet eine irreversible
Entmagnetisierung der Permanentmagnete und damit deren
dauerhafte Schädigung. Reicht eine Reduzierung des
Bremsmoments nicht aus, kann insgesamt das Magnetfeld zu Null
gemacht werden, wobei dann allerdings die dauerhafte
Schädigung der Permanentmagnete in Kauf genommen werden muß.
Wird die Felderregerwicklung des Rotors nicht nur im
Fehlerfall bestromt, sondern auch im Normalbetrieb, so kann
einerseits bei einer Addition der Magnetfelder im Motor eine
hohe Leistungsdichte erreicht und können andererseits im
drehzahlvariablen Betrieb durch eine bewußt herbeigeführte
Feldschwächung höhere Drehzahlen erzielt werden.
Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im
Anspruch 1 angegebenen Gleichstromantriebs möglich.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist
die Felderregerwicklung eine der Zahl der Permanentmagnete
entsprechende Anzahl von Spulen auf, die jeweils einen der
Permanetmagnete umschließen. Die Spulen sind parallel oder
seriell geschaltet und an einem drehfest mit dem Rotor
verbunden Schleifringpaar angeschlossen. Diese konstruktive
Integration der Felderregerwicklung in den Synchronmotor
erfordert nur einen geringen, konstruktiven und
fertigungstechnischen Zusatzaufwand zum Herbeiführen des
gewünschten Fail-Silent-Verhaltens.
Der Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild eines bürstenlosen
Gleichstromantriebs,
Fig. 2 einen Querschnitt eines dreiphasigen,
vierpoligen Synchronmotors im
Gleichstromantrieb gemäß Fig. 1, schematisch
dargestellt,
Fig. 3 eine schematische Ansicht des Rotors des
Synchronmotors in Fig. 2.
Der in Fig. 1 im Schaltbild dargestellte, bürstenlose
Gleichstromantrieb weist einen Synchronmotor 10 auf, der
mittels einer Schaltvorrichtung 11 zum elektronischen
Kommutieren an einem Gleichspannungsnetz betrieben wird, das
in Fig. 1 mit "+" und "-" gekennzeichnet und mit
Anschlußklemmen 30, 31 des Gleichstromantriebs verbunden ist.
Der Synchronmotor 10 weist in bekannter Weise einen Stator 12
und einen Rotor 13 auf, der auf einer in einem Gehäuse
drehend gelagerten Rotorwelle 14 (Fig. 2) sitzt. Der Stator
12 trägt eine Anker- oder Statorwicklung 15, die im
Ausführungsbeispiel dreiphasig ausgeführt ist und deren
Wicklungsphasen 151-153 in Stern geschaltet sind. Die
Wicklungsanschlüsse 1, 2, und 3 der Statorwicklung 15 sind
über je eine Verbindungsleitung 16 mit der Schaltvorrichtung
11 verbunden.
Die als B6-Wechselrichter ausgeführte Schaltvorrichtung 11
weist sechs Halbleiter-Leistungschalter 15 in
Brückenschaltung auf, die im Ausführungsbeispiel als MOS-FETs
ausgebildet sind. Die zu den Wicklungsanschlüssen 1, 2 und 3
führenden Verbindungsleitungen 16 sind dabei jeweils an einem
der Abgriffe 4, 5 und 6 der jeweils durch Reihenschaltung
zweier Leistungschalter 17 gebildeten Brückenzweige
angeschlossen, die in der Verbindung von jeweils zwei
Leistungsschaltern 17 liegen. Zum Kommutieren der
Statorwicklung 15, d. h. zum zeitlich richtigen Anlegen der
Wicklungsphasen 151-153 an das Gleichspannungsnetz in
Übereinstimmung mit der Drehlage des Rotors 13, sind die
Leistungsschalter 17 von einem elektronischen Steuergerät 18
ansteuerbar.
Der in Fig. 1 nur symbolisch angedeutete und in Fig. 2 und 3
im Schnitt schematisch dargestellte Rotor 13 weist einen von
einem Blechlamellenpaket oder einem massiven Eisenpaket
gebildeten Rotorkörper 19, der drehfest auf der Rotorwelle 14
sitzt, und mehrere, außen am Rotorkörper 19 festgelegte
Permanentmagnetpole 20 auf. Der in Fig. 2 skizzierte Rotor 13
ist vierpolig ausgeführt und hat dementsprechend vier um
jeweils 90° am Umfang des Rotorkörpers 19 versetzt
angeordnete Permanentmagnetpole 20, wobei aufeinanderfolgende
Permanentmagnetpole 20 wechselnde Polarität "N" und "S"
aufweisen, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Auf dem
Rotorkörper 19 ist weiterhin eine Felderregerwicklung 21
untergebracht, die an einem auf der Rotorwelle 14 drehfest
sitzenden Paar von Schleifringen 22, 23 angeschlossen ist.
Die Felderregerwicklung 21 besteht aus insgesamt vier Spulen
24, wobei jeweils eine Spule 24 um einen der
Permanentmagnetpole 20 gewickelt ist, also den
Permanentmagnetpol 20 auf seinen insgesamt vier in
Axialrichtung und in Umfangsrichtung sich erstreckenden
Seitenflächen umschließt. Die Spulen 24 sind im
Ausführungsbeispiel der Fig. 2 und 3 parallel geschaltet, und
die Parallelschaltung ist an den Schleifringen 22, 23
angeschlossen. Alternativ können die Spulen 24 auch in Reihe
geschaltet werden. Die Spulen 24 sind so gewickelt, daß der
von den Schleifringen 22, 23 abgenommene Erregerstrom in
aufeinanderfolgenden Spulen 24 ein inverses Magnetfeld
erzeugt.
Die Felderregerwicklung 21 ist Teil einer Einrichtung zum
Erzwingen eines sog. Fail-Silent-Verhaltens des
Gleichstromantriebs, die sicherstellt, daß bei Auftreten
eines Fehlers im Gleichstromantrieb, der z. B. von einem
defekten Leistungsschalter 17 oder einem Wicklungsschluß in
der Statorwicklung 15 verursacht sein kann, das mit dem
Gleichstromantrieb zusammenwirkende System nicht nachteilig
beeinflußt oder gestört wird. Neben der Felderregerwicklung
21 weist diese Einrichtung noch eine im Steuergerät 18
integrierte Steuervorrichtung 25, drei in jeweils einer
Wicklungsphase 151, 152, 153 angeordnete Meßshunts 26 und
einen die Motortemperatur erfassenden Temperaturfühler 27
auf. Die Meßshunts 26 und der Temperaturfühler 27 sind über
Meßleitungen 28 mit Eingängen der Steuervorrichtung 25
verbunden. Zwei Ausgänge der Steuervorrichtung 25 sind über
Steuerleitungen 29 an den Schleifringen 22, 23 angeschlossen.
Die Steuervorrichtung 25 ist wie das Steuergerät 18 an den
Anschlußklemmen 30, 31 des Gleichstromantriebs und damit an
dem Gleichspannungsnetz angeschlossen. Unmittelbar hinter der
Anschlußklemme 30 ist ein Stromunterbrecher 32 angeordnet,
der von der Steuervorrichtung 25 ansteuerbar ist.
Die Steuervorrichtung 25 mißt die über die Meßshunts 26
fließende Ströme nach Betrag und Phase und addiert diese
vektoriell. Bei fehlerfreiem Gleichstromantrieb ergibt das
Additionsergebnis stets Null. Weicht die Vektorsumme
signifikant von Null ab, so liegt ein Fehler in den
Wicklungsphasen 151-153 oder in den Leistungsschaltern 17
vor. In diesem Fall wird von der Steuervorrichtung 25 der
Stromunterbrecher 32 so angesteuert, daß er öffnet, und an
die Felderregerwicklung 21 ein Erregerstrom gelegt, der über
die Spulen 24 einen dem Magnetfluß der Permanentmagnetpole 20
entgegengerichteten Magnetfluß erzeugt. Dadurch wird das
Erregerfeld des Synchronmotors 10 geschwächt, so daß in der
Statorwicklung 15 keine oder nur noch eine kleine Spannung
induziert wird und damit kein oder nur ein kleines
Bremsmoment auftritt. Die Schwächung des Magnetfelds wird
abhängig von der Temperatur des Synchronmotors 10
vorgenommen, die über den Temperaturfühler 27 erfaßt und der
Steuervorrichtung 25 zugeführt wird. Die temperaturabhängige
Schwächung des Magnetfelds erfolgt dabei in der Weise, daß
eine irreversible Entmagnetisierung der Permanentmagnetpole
20 vermieden und damit eine dauerhafte Schädigung des
Synchronmotors 10 ausgeschlossen wird. Die Größe des von der
Steuervorrichtung 25 an die Schleifringe 22, 23 gelegten
Erregerstroms, die z. B. mittels Pulsweitenmodulation
eingestellt werden kann, wird in Abhängigkeit von Strangstrom
in der Statorwicklung 15 geregelt, d. h. der Erregerstrom wird
solange vergrößert, bis die dadurch erreichte Feldschwächung
eine nur geringe Spannung induziert und damit ein nur
geringer Kurzschlußstrom fließt, der ein noch akzeptables
Bremsmoment erzeugt. Reicht diese Reduzierung des
Bremsmoments nicht aus, so kann das resultierende Erregerfeld
zu Null gebracht werden, wobei dann allerdings die dauerhafte
Schädigung der Permanentmagnetpole 20 in Kauf genommen werden
muß.
Die Einrichtung zur Erzwingung eines Fail-Silent-Verhaltens
kann vorteilhaft auch im Normalbetrieb des
Gleichstromantriebs genutzt werden. Wird die Stromrichtung in
der Felderregerwicklung 21 so gewählt, daß das von ihr
erzeugte Magnetfeld sich mit dem Magnetfeld der
Permanentmagnetpole 20 addiert, so entsteht ein Motor mit
hoher Leistungsdichte. Wird die Stromrichtung in der
Felderregerwicklung 21 umgekehrt und dadurch das
resultierende Magnetfeld geschwächt, so können höhere
Drehzahlen eingestellt werden. Die Größe der Feldverstärkung
oder Feldschwächung wird wiederum von der Steuervorrichtung
25 mittels Pulsweitenmodulation des den Schleifringen 22, 23
zugeführten Gleichstroms eingestellt. Eine Ansteuerung des
Stromunterbrechers 32 unterbleibt.
Claims (12)
1. Bürstenloser Gleichstromantrieb mit einem Synchronmotor
(10), der einen eine mehrphasige Statorwicklung (15)
tragenden Stator (12) und einen Rotor (13) mit
Permanentmangetpolen (20) aufweist, die einen die
Statorwicklung (15) durchsetzenden Magnetfluß erzeugen,
und mit einer der Statorwicklung (15) vorgeschalteten,
von einem elektronischen Steuergerät (18) gesteuerten
Schaltvorrichtung (11) zum Kommutieren der
Statorwicklung (15), dadurch gekennzeichnet, daß im
Rotor (13) eine Felderregerwicklung (21) angeordnet ist,
die im Fehlerfall so bestrombar ist, daß sie einen dem
Magnetfluß der Permanentmagnetpole (20)
entgegengerichteten Magnetfluß erzeugt.
2. Gleichstromantrieb nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Felderregerwicklung (21) eine
der Zahl der Permanentmagnetpole (20) entsprechende
Anzahl von Spulen (24) aufweist, die jeweils einen der
Permanentmagnetpole (20) umschließen.
3. Gleichstromantrieb nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Spulen (24) parallel oder
seriell geschaltet sind und an einem drehfest mit dem
Rotor (13) verbundenen Schleifringpaar (22, 23)
angeschlossen sind.
4. Gleichstromantrieb nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schleifringe (22, 23) mit einem
Gleichstrom beaufschlagbar sind, dessen Größe mittels
einer Steuervorrichtung (25) einstellbar ist.
5. Gleichstromantrieb nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (25) im
elektronischen Steuergerät (18) integriert ist.
6. Gleichstromantrieb nach Anspruch 4 oder 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (25) einen
Pulsweitenmodulator aufweist.
7. Gleichstromantrieb nach einem der Ansprüche 4-6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (25)
den Gleichstrom abhängig von der Motortemperatur
einstellt.
8. Gleichstromantrieb nach einem der Ansprüche 4-7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (25)
den Gleichstrom in Abhängigkeit von einem in der
Statorwicklung (15) fließenden Strangstrom einstellt.
9. Bürstenloser Gleichstromantrieb mit einem Synchronmotor
(10), der einen eine mehrphasige Statorwicklung (15)
tragenden Stator (12) und einen Rotor (13) mit
Permanentmangetpolen (20) aufweist, die einen die
Statorwicklung (15) durchsetzenden Magnetfluß erzeugen,
und mit einer der Statorwicklung (15) vorgeschalteten,
von einem elektronischen Steuergerät (18) gesteuerten
Schaltvorrichtung (11) zum Kommutieren der
Statorwicklung (15), dadurch gekennzeichnet, daß im
Rotor (13) eine Felderregerwicklung (21) angeordnet ist,
die eine der Zahl der Permanentmangetpole (20)
entsprechenden Zahl von Spulen (24) aufweist, die
jeweils einen der Permanentmagnetpole (20) umschließen.
10. Gleichstromantrieb nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Spulen (24) parallel oder
seriell geschaltet und an Schleifringen (22, 23)
angeschlossen sind.
11. Gleichstromantrieb nach Anspruch 9 oder 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die Spulen (24) so geschaltet sind,
daß die Richtungen der von in Drehrichtung
aufeinanderfolgenden Spulen (24) erzeugten Magnetflüsse
gegensinnig sind.
12. Gleichstromantrieb nach Anspruch 11, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schleifringe (22, 23) mit einem
Gleichstrom beaufschlagbar sind, dessen Größe mittels
einer Steuervorrichtung (25), vorzugsweise über eine
Pulsweitenmodulation, einstellbar ist.
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