DE102008019546A1

DE102008019546A1 - Motorpumpenaggregat für Kraftfahrzeugbremsenregelungssysteme

Info

Publication number: DE102008019546A1
Application number: DE102008019546A
Authority: DE
Inventors: Peter Stauder; Tom Kaufmann; Andreas Richter; Burkhard Warmbier Leidig; Dieter Barthel; Ralf Hartmann; Andreas Heise
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 2008-04-18
Filing date: 2008-04-18
Publication date: 2009-10-22
Also published as: WO2009144048A1

Abstract

Motorpumpenaggregat (10) mit einer elektronischen Ansteuerschaltung zur Ansteuerung eines elektrischen, die Pumpe antreibenden Gleichstrommotors (14) mit zumindest einem Kommutatorring (7, 8) und mindestens einem Bürstenpaar, wobei der Motor zwei oder mehrere Kommutatorringe (7, 8) umfasst, welche durch die Bürsten eine getrennte Bestromung von mindestens zwei Sätzen (3, 4) der Motorwicklungen erlauben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Motorpumpenaggregat gemäß Oberbegriff von Anspruch 1.
Der Pumpenantrieb in Motorpumpenaggregaten für elektronische Kraftfahrzeugbremssysteme ist üblicherweise mit einem Gleichstrommotor ausgestattet, welcher einen Kommutator umfasst, der entsprechend der Stellung des Rotors in geeigneter Weise die Ankerwindungen des Rotors so ansteuert, dass der Motor eine Drehbewegung ausführt.
Es sind außerdem Anwendungen für Elektromotore bekannt, bei denen eine Lastanpassung über die Wicklung des Motors vorgenommen wird. Aus der EP 1 236 596 A1 geht ein Pumpenmotor für einen Kühlschrank hervor, welcher, um den Anlaufstrom zu senken, während des Anlaufs mit einer ersten, speziell für ein hohes Anlaufmoment angepassten Motorwicklung angesteuert wird. Im Betrieb wird dann von der ersten auf eine zweite Motorwicklung umgeschaltet, mit der die Arbeitsdrehzahl bei einem niedrigeren Strom erreicht wird.
Die US 5,650,886 bezieht sich auf ein Kompaktdisk-Datenspeicherungslaufwerk mit einem bürstenlosen Motor, wobei die Ansteuerschaltung für den die Disk antreibenden Motor neben einer Kommutierungsschaltung (BEMF-Logik) auch Mittel zur Wicklungsanpassung umfasst. Beim Anlauf der Disk wird der Motor im Bipolar- oder Tripolar-Modus betrieben, um ein ausreichendes Drehmoment zur Überwindung der Haftreibungskräfte durch die Leseköpfe zur Verfügung zu stellen. Wenn die Disk eine gewisse Drehzahl erreicht hat, wird in den unipolaren Modus umgeschaltet. Im unipolaren Modus kann dann eine höhere Drehzahl der Disk erreicht werden. Im Anlauf nimmt die beschriebene Motoranordnung auf Grund der geringen Größe des Motors nur vergleichsweise geringe Ströme auf (im Bereich um 500 mA). Eine Übertragung der angegebenen Ansteuerschaltung auf die Kraftfahrzeugtechnik ist nicht möglich, da die Schaltung für niedrige Motorströme ausgelegt ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Motorpumpenaggregat anzugeben, welches kompakter hergestellt werden kann und gleichzeitig eine hohe Druckaufbaudynamik besitzt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Motorpumpenaggregat gemäß Anspruch 1.
Das mechanische Moment eines Bürstenmotors ist definiert als das Produkt zwischen Strom I und motorspezifischer BEMF-Momentkonstante k_T. Die maximal erreichbare Drehzahl stellt sich theoretisch bei I = 0 ein, denn die am Motor angelegte Spannung U ist dann gleich der Generatorspannung E des Motors. Die Spannung E ist definiert als das Produkt aus Drehzahl ω und der motorspezifischen BEMF-Konstante k_e. Für ei nen theoretisch angenommenen idealen Motor mit einem Wirkungsgrad von η = 100% würde gelten, dass die Konstante k_e gleich der Konstante k_T ist. Daraus folgt, dass bei gegebener Versorgungsspannung U nur durch Verringerung von k_e bzw. k_T eine höhere Leerlaufdrehzahl erreicht werden kann. Es ergibt sich daraus jedoch auch, dass zum Erreichen eines bestimmten Moments ein in Abhängigkeit von der Verminderung von k_T höherer Strom aufgewendet werden muss. Wird nun die Konstante k_e bzw. k_T des Motors im Betrieb geändert, kann eine Anpassung des Motors an die jeweilige Anforderung durchgeführt werden.
Das erfindungsgemäße Motorpumpenaggregat umfasst eine elektronische Ansteuerschaltung zur Ansteuerung eines elektrischen, die Pumpe antreibenden Gleichstrommotors. Der Gleichstrommotor umfasst zwei oder mehrere Kommutatorringe und bevorzugt eine entsprechende Anzahl von Bürstenpaaren, welche mit den Kommutatorringen zusammenwirken. Die Kommutatorringe erlauben eine getrennte Bestromung von mindestens zwei Sätzen der Motorwicklungen.
Das Motorpumpenaggregat umfasst vorzugsweise eine Motoransteuerungsschaltung, mit der die Beschaltung der Bürsten und damit die Bestromung der Motorwicklungssätze im Betrieb umgeschaltet oder angepasst werden können, so dass eine bedarfsgerechte Anpassung des Motormoments und der Nenndrehzahl ermöglicht wird.
Der Motor weist bevorzugt einen ersten und einen zweiten Satz (und ggf. noch weitere) getrennt bestrombarer Wicklungen auf. Je nach bevorzugter Ausführungsform weisen die Sätze die gleiche Windungszahl oder unterschiedliche Windungszahlen auf.
Vorzugsweise umfasst das Motorpumpenaggregat eine weitere Elektronik, welche eine Betriebsartenumschaltlogik und/oder einen -algorithmus bereitstellt, mit der/dem unterschiedliche Motorbetriebsmodi in Abhängigkeit von der Anwendung der Pumpe eingestellt werden können. Hierdurch kann eine erste Betriebsart der Pumpe ausgewählt werden, bei der beispielsweise mehr Motorwicklungen bestromt werden als in einer zweiten Betriebsart, wodurch sich ein höheres Motormoment in der ersten Betriebsart ergibt, und zur zeitweisen Erhöhung der Drehzahl in der zweiten Betriebsart nur ein Teil der Motorwicklungen bestromt wird, wodurch sich ein niedrigeres Motormoment ergibt. Auf diese Weise kann die Verlustleistung im Modus für die höhere Nenndrehzahl auf einem vertretbar geringen Maß gehalten werden. Vorteilhafterweise lassen sich somit an sich gegenläufige Motoreigenschaften in einem Motor realisieren.
Die weitere Elektronik umfasst bevorzugt eine Pulsweitenmodulationsschaltung zur Leistungssteuerung des Motors.
Es ist zweckmäßig, dass im Lastpfad des Motors bestehend aus zumindest einem aktiven Ansteuerhalbleiterelement und wenigstens einer Motorwicklung ein Verpolschutzhalbleiterbauelement vorgesehen ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn einer oder alle notwendigen Verpolschutzhalbleiter im Bereich des Motors angeordnet werden, da im Bereich des Motors eine Kühlung der Bauelemente einfacher möglich ist. Ganz besonders bevorzugt handelt es sich bei den Verpolschutzhalbleiterbauelementen ebenfalls um aktive Halbleiterbauelemente, welche in Abhängigkeit der Taktung der Ansteuerhalbleiterelemente von der PWM-Stufe angesteuert werden.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand von Figuren.
Es zeigen
1 ein Motorpumpenaggregat mit einem elektronischen Regler,
2 verschiedene Varianten für eine Motoransteuerungsschaltung und
3 einen Läufer eines Gleichstrommotors mit zwei Kommutatorringen.
In 1 bilden Motorpumpenaggregat 10 und elektronischer Regler (ECU) 11 das elektronische Kraftfahrzeugbremsensteuergerät 12. Motorpumpenaggregat 10 ist aus einem Ventilblock 13 und Elektromotor 14 zusammengesetzt. Die Leitungen 15 zu den Motorwicklungen sind durch eine Bohrung 15 des Ventilblocks 13 geführt und mit einer innerhalb des Reglers 11 angeordneten Elektronikplatine 17 verbunden. Es ist möglich, dass zumindest ein Teil der zur Motoransteuerung verwendeten Halbleiterelemente (2, Bezugszeichen 1, 2, 9, 20, 21, 22, 23) im Bereich des Motors 14 angeordnet werden, beispielsweise in einer gesonderten im Bereich des Motors 14 angeordneten Motoransteuerelektronik 18.
In 2 sind mehrere Varianten a) bis c) für Schaltpläne zur Ansteuerung von Motor 14 gezeigt. Allen Schaltungsvarianten gemein ist die Versorgung mit einer Gleichspannung zwischen den Anschlüssen GND (Bezugspotential) und V+. V+ bezeichnet eine positive Spannung gegenüber dem Bezugspotential GND, welche im Kraftfahrzeugbereich üblicherweise 12 V (Nennspannung) beträgt. Die Versorgungsspannung V+ führt über Halbleiterschalter 1, 2 zu den Motorwicklungssätzen 3 und 4. Halbleiterschalter 1 und 2 werden für eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung von einem Mikrocontroller 24 innerhalb von Schaltung 17 in geeigneter Weise getaktet angesteuert.
Jede der Schaltungsvarianten a) bis c) stellt zwei Betriebsmodi zur Verfügung. Während eines ersten Betriebsmodus der Schaltung weist der Motor ein vergleichsweise hohes Moment auf, während im zweiten Betriebsmodus der Schaltung der Motor eine höhere Drehzahl als im ersten Modus hat. Der Modus mit der höheren Drehzahl wird im Anwendungsbeispiel eines Druckregelaggregats für elektronische Bremssysteme lediglich kurzzeitig gewählt, um eine besonders hohe Förderleistung zu erzielen. Wie bereits erwähnt, umfassen die Schaltungsvarianten jeweils zwei Wicklungshalbleiterschalter 1 und 2, mit denen sich die Wicklungssätze 3 und 4 des Motors 14 entsprechend der Varianten in 2a) bis 2c) unterschiedlich ansteuern lassen.
Bei der Schaltungsvariante in 2a) ist die Schaltung so mit den Bürsten verbunden und/oder es sind die Motorwicklungen so an die Kommutatorlamellen angeschlossen, dass zwischen dem ersten Wicklungssatz 3 und dem zweiten Wicklungssatz 4 eine Mittenanzapfung 19 vorhanden ist. Mit dem ersten Halbleiterschalter 1 lässt sich die Mittenanzapfung 19 mit dem Versorgungspotential V+ verbinden. Mit dem zweiten Halbleiterschalter 2 kann bei dieser Stellung von Schalter 1 Wicklungssatz 4 durch öffnen von Schalter 2 bestromt werden (Betriebsmodus mit höherer Drehzahl). Wenn dabei der erste Halbleiterschalter 1 nicht geschlossen ist, wird zusätzlich der erste Wicklungssatz 3 beim öffnen von Schalter 2 bestromt (Betriebsmodus mit höherem Drehmoment).
Zur Aufnahme des Freilaufstroms umfasst die Schaltung außerdem bevorzugt ein Freilaufelement 9 (Diode oder aktives Halbleiterbauelement). Durch die enge magnetische Kopplung der beiden Wicklungssätze 3 und 4 sind keine gesonderten Maßnahmen für die beiden Ansteuermodi nötig. Es genügt lediglich eine Freilaufdiode, die insbesondere parallel zu beiden Wicklungen geschaltet ist. Die Ansteuerschaltung umfasst zweckmäßigerweise zwei Dioden 20 und 21, die einen Strom nur in Richtung von den Halbleiterschaltern (1,2) zu den Wicklungssätzen 3, 4 ermöglichen (Verpolschutz). Im dargestellten Beispiel bilden die Halbleiterbauelemente 9, 20 und 21 eine gesonderte Motoransteuerelektronik 18 im Bereich des Motors 14. Die Halbleiterschalter 1 und 2 sind auf der Elektronikplatine 17 im Bereich des Reglers 11 angeordnet.
Gemäß der Schaltungsvariante in 2b) sind die Wicklungssätze 3 und 4 elektrisch voneinander getrennt und können auch getrennt voneinander über die Kommutatorringe 7 und 8 unabhängig von den Halbleiterschaltern 1 und 2 angesteuert werden. Die Wicklungssätze 3 und 4 sind für unterschiedliche Drehzahlen bzw. Drehmomentanforderungen ausgelegt. Gemäß dem dargestellten Beispiel wird der erste Wicklungssatz 3 vom ersten Halbleiterschalter 1 angesteuert und der zweite Wicklungssatz 4 vom zweiten Halbleiterschalter 2. Bevorzugt ist parallel zu einem Wicklungssatz 3 oder 4 lediglich ein Freilaufelement 9 geschaltet. Dies ist möglich, da auch bei die ser Variante beide Wicklungen magnetisch stark miteinander gekoppelt sind. Weiterhin können zweckmäßigerweise Verpolschutzdioden 22 und 23 vorgesehen sein, welche sich besonders zweckmäßig zu einer Doppeldiode zusammenfassen lassen. Gegenüber der Variante in 2a) muss auf den Anker zur Bildung der Wicklungen zwar mehr Kupfer gewickelt werden, allerdings wird es vorteilhafterweise möglich, bei einem Defekt in einem der Ansteuerkreise mit dem verbleibenden Kreis eine redundante, ggf. einen geringeren Wirkungsgrad aufweisende, Pumpenfunktion sicherzustellen.
Gemäß der Schaltungsvariante in 2c) sind der erste und zweite Wicklungssatz 3 und 4 bifilar zueinander ausgeführt. Entsprechend Variante b) sind die Wicklungen für verschiedene Drehzahlen ausgelegt. Entsprechend der Wicklungsauslegung läuft der Motor in einer Drehrichtung mit hohem Moment und in der entgegengesetzten Drehrichtung mit hoher Drehzahl. Die bifilare Bewicklung des Ankers bietet die Möglichkeit, auf Verpolschutzdioden im Lastpfad zu verzichten. Diese werden wegen des Wechsels der Richtung des Freilaufstroms in Form von Halbleiterschaltern 5 und 6 im Freilaufpfad angeordnet. Die Höhe des Freilaufstroms ergibt sich in Abhängigkeit von der gewählten PWM-Frequenz, mit der die Halbleiterschalter 1 und 2 angesteuert werden. Das heißt, man kann besonders vorteilhaft eine Verpolschutzdiode mit weit geringerer Nennleistung auslegen, wenn man die Schalter 1 und 2 bei höheren Lasten (z. B. während ABS) mit entsprechend niedriger Frequenz (z. B. 16 Hz) ansteuert. Auch hier genügt ein Freilaufpfad wegen der magnetischen Kopplung der Wicklungssätze 3 und 4. Insgesamt weist die Schaltungsvariante in 2c) eine niedrigere Verlustleistung als die Varianten in 2a) und b) auf, da in den Halbleiterelementen durch den ge schalteten Freilauf weniger Wärmeenergie anfällt.
Selbstverständlich sind auch Kombinationen der obigen Schaltungsvarianten denkbar. So können beispielsweise die Freilaufdioden in den Varianten a) und b) durch aktive Freiläufe ersetzt werden.
3 zeigt einen Motoranker 25 eines mehrpoligen Motors mit permanentmagnetischer oder elektromagnetischer Fremderregung, welcher Bürstenanschlüsse umfasst, die zur elektrischen Ansteuerung mit der Ansteuerungsschaltung gemäß 2 verbunden sind. Motoranker 25 weist im Bereich der Motorwelle 26 zwei Kommutatorringe 7 und 8 auf. Die Motorwicklungen (nicht dargestellt), sind mit den Kollektorlamellen 28 verbunden, wobei mit jeweils einem der Kommutatorringe 7 und 8 je ein kompletter Wicklungssatz verbunden ist. Im Betrieb des Motors wird durch elektrischen Kontakt der Lamellen 28 mit den Motorbürsten (nicht dargestellt) ein Stromfluss durch den von der Winkelstellung des Motors abhängigen Wicklungsbereich hergestellt.
Vorteilhafterweise kann bei Ansteuerung des Motors über nur einen Kommutatorring der jeweils andere Kommutatorring zur Messung der Motordrehzahl verwendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1236596 A1 [0003]
- US 5650886 [0004]

Claims

Motorpumpenaggregat (10) mit einer elektronischen Ansteuerschaltung zur Ansteuerung eines elektrischen, die Pumpe antreibenden Gleichstrommotors (14) mit zumindest einem Kommutatorring (7, 8) und mindestens einem Bürstenpaar, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor zwei oder mehrere Kommutatorringe (7, 8) umfasst, welche eine getrennte Bestromung von mindestens zwei Sätzen (3, 4) der Motorwicklungen erlauben.
Motorpumpenaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Motoransteuerungsschaltung vorgesehen ist, mit der die Beschaltung der Bürsten und damit die Bestromung der Motorwicklungssätze im Betrieb umgeschaltet oder angepasst werden können.
Motorpumpenaggregat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor einen ersten (3) und einen zweiten Satz (4) getrennt bestrombarer Wicklungen umfasst, wobei insbesondere beide Sätze die gleiche Windungszahl aufweisen.
Motorpumpenaggregat nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine weitere Elektronik (17) umfasst, welche eine Betriebsartenumschaltlogik und/oder -algorithmus bereitstellt, mit der/dem unterschiedliche Motorbetriebsmodi in Abhängigkeit von der Anwendung der Pumpe eingestellt werden können.
Motorpumpenaggregat nach mindestens einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor ein mehrpoliger Motor (1) mit permanentmagnetischer oder elektromagnetischer Fremderregung ist, Bürstenanschlüsse umfasst, die zur elektrischen Ansteuerung mit der Ansteuerungsschaltung verbunden sind, welche mindestens zwei Wicklungshalbleiterschalter (1, 2, 5, 6) umfasst, mit denen sich die Wicklungssätze (3, 4) unterschiedlich ansteuern lassen (Figuren a) bis c)).
Motorpumpenaggregat nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor neben dem ersten und zweiten Wicklungssatz (3, 4) zumindest eine Mittenanzapfung (19) zwischen den beiden Wicklungssätzen umfasst.
Motorpumpenaggregat nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichstromelektromotoransteuerungsschaltung einen ersten Halbleiterschalter (1) umfasst, mit dem die Mittenanzapfung (19) mit dem Versorgungspotential (V+) oder dem Bezugspotential (GND) verbindbar ist und einen zweiten Halbleiterschalter (2), mit dem die zweite (4) oder der erste Wicklungssatz (3) bestromt werden kann, und dabei der jeweils andere Wicklungssatz bei geschlossenem ersten Halbleiterschalter (1) nicht bestromt wird, wobei insbesondere ein Freilaufelement (9) vorgesehen ist, das parallel zu beiden Wicklungssätzen (3, 4) geschaltet ist.
Motorpumpenaggregat nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungssätze (3, 4) elektrisch voneinander getrennt sind und getrennt angesteuert werden können und für unterschiedliche Dreh zahlen ausgelegt sind.
Motorpumpenaggregat nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wicklungssatz (3) vom ersten Halbleiterschalter (1) angesteuert wird und der zweite Wicklungssatz (4) vom zweiten Halbleiterschalter (2) und insbesondere jedem Wicklungssatz ein eigener Kommutatorring zugeordnet ist.
Motorpumpenaggregat nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Wicklungssatz (3, 4) bifilar und für unterschiedliche Drehzahlen ausgelegt sind.
Motorpumpenaggregat nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor in einer Drehrichtung mit hohem Moment läuft und in der entgegengesetzten Drehrichtung mit hoher Drehzahl läuft.
Motorpumpenaggregat nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerleitungen der Halbleiterschalter durch eine weitere Elektronik (17) angesteuert werden.
Motorpumpenaggregat nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Halbleiterbauelemente im Bereich des Motors angeordnet sind.
Verwendung des Motorpumpenaggregats nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche in Kraftfahrzeugen, insbesondere in einem hydraulischen Kraftfahrzeugbrems druckregelaggregat.