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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für einen Gleichstromelektromotor eines Kühlgebläses für ein Motorfahrzeug und insbesondere eine Steuervorrichtung für den Elektromotor eines Gebläses, das dem Kühler eines Verbrennungsmotors zugeordnet ist.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Ein elektrisches Gebläse zum Kühlen des Kühlers eines Motorfahrzeugs umfasst in der typischen Weise einen Gleichstromelektromotor und ein Axialgebläse, die beide durch eine Haube gestützt sind, die eine zweifache Funktion hat, nämlich die Optimierung des Luftstroms stromabwärts des Kühlers und die Festlegung der Motor/Gebläse-Einheit an dem Kühler oder an einer anderen in dem Motorfahrzeug vorgesehenen Stütze.
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In moderneren Systemen kann der Gleichstrommotor ein Bürstenmotor sein, der mit einer elektronischen Steuereinheit verbunden ist, oder ein elektronisch kommutierter oder bürstenloser Motor, ebenfalls mit einer elektronischen Steuereinheit.
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Wenn Axialgebläse mit maximaler Geschwindigkeit arbeiten, verringert sich der Volumenstromrate mit einem zunehmenden Druck der Luft, und mit dem ansteigenden Druck erhöhen sich das benötigte Drehmoment und damit die benötigte elektrische Leistung (bei gleicher Anzahl von Umdrehungen).
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Bei einem stehenden Fahrzeug ist der fluiddynamische Widerstand maximal und der Wert des Durchsatzes daher minimal. Bei zunehmender Geschwindigkeit des Fahrzeugs vergrößert sich der Durchsatz der verfügbaren Luft, da der Widerstand wegen der Wirkung des Drucks, der durch die Geschwindigkeit des Fahrzeugs selbst entsteht, abnimmt. Dieses Verhalten steht dem natürlichen Kühlbedarf des Fahrzeugs entgegen, da der abzuleitende Wärmefluss normalerweise zunimmt, wenn sich das Fahrzeug bewegt.
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Bei einem Kommutatormotor, der mit einer konstanten Spannung versorgt wird, nimmt die Drehgeschwindigkeit des Gebläses ab, während der Druck selbst ansteigt, was durch den höheren Energiebedarf bedingt ist.
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Das Verhalten eines elektronisch kommutierten Motors kann in diesem Fall ähnlich wie das Verhalten eines Kommutatormotors sein, oder der Regler kann eine konstante Geschwindigkeit für den gesamten Bereich des Betriebsdrucks halten.
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Wenn ein zu prüfendes System bei niedrigen Drücken einen ungenügenden Durchsatz und bei hohen Drücken einen zu hohen Durchsatz hat, liegt eine einfache Lösung zur Erzielung der erforderlichen Leistungsfähigkeit auch bei niedrigen Drücken darin, die Geschwindigkeit des Gebläses unter solchen Bedingungen zu erhöhen. Auf diese Weise verläuft die Durchsatz nach oben. Dementsprechend erhöht sich der Bedarf an elektrischer Energie. Das Ergebnis einer solchen Vorgehensweise wäre eine Bemessung des Elektromotors und der elektronischen Steuereinheit für weitaus höhere Leistungsstufen, womit höhere Kosten für das Produkt verbunden wären.
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Außerdem ist es nicht immer möglich, diesen Weg zu gehen, da aus Gründen der Abmessungen und der Energiebilanz der elektrischen Systeme und zur Begrenzung der Schadstoffemission und des Verbrauchs des Fahrzeugs eine Obergrenze für die aufgenommene Leistung festgelegt wird.
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Die vorliegende Erfindung betrifft speziell eine Steuervorrichtung, umfassend zumindest einen Steuertransistor, der im Wesentlichen mit einer entsprechenden Wicklung des Motors zwischen den Anschlüssen einer Gleichspannungsversorgung in Reihe geschaltet ist, und eine elektrische Steuereinheit, die für die Steuerung des zumindest einen Transistors in vorgegebener Weise gemäß zumindest einem externen Steuersignal vorgesehen ist, um den Antrieb des Motors zu bewirken, indem die an ihn angelegte Spannung und folglich die Geschwindigkeit des Gebläses gesteuert wird.
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Eine solche Steuervorrichtung ist schematisch in 1 der anliegenden Zeichnungen dargestellt. In dieser Figur ist mit Bezugsziffer 1 allgemein ein elektrisches Kühlgebläse für einen Verbrennungsmotor gekennzeichnet, das einen Gleichstrommotor M des Bürstentyps und einen zugeordneten Gebläserotor F mit Flügeln umfasst. Der Motor M ist im Wesentlichen mit einem Steuertransistor Q, zum Beispiel einem MOSFET-Transistor, zwischen zwei Anschlüssen oder Polen einer Quelle (z. B. Batterie) S in Reihe geschaltet, die für die Verteilung einer Gleichspannungsversorgung Vs geeignet ist. Der Eingang oder das Gate des Steuertransistors Q ist mit dem Ausgang einer elektronischen Steuereinheit ECU verbunden, die zur Steuerung des Transistors in vorgegebener Weise gemäß zumindest einem externen Steuersignal vorgesehen ist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Es ist eine verbesserte Steuervorrichtung erwünscht, die insbesondere einen wirksamen Schutz des Motors und des zugeordneten elektronischen Leistungskommutators ermöglicht.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Steuervorrichtung für einen Gleichstrommotor eines Kühlgebläses für den Kühler eines Motorfahrzeugs angegeben, umfassend zumindest einen Steuertransistor, der mit einer entsprechenden Wicklung des Motors zwischen den Anschlüssen einer Quelle einer Gleichspannungsversorgung in Reihe geschaltet ist, und eine elektronische Steuereinheit, die zur Steuerung des zumindest einen Transistors in vorgegebener Weise in Abhängigkeit von zumindest einem externen Steuersignal vorgesehen ist, um die Aktivierung des Motors zu bewirken, indem die an ihn angelegte Spannung und folglich die Geschwindigkeit des Motors gesteuert wird, wobei die Steuereinheit zur Steuerung des zumindest einen Transistors in solcher Weise vorgesehen ist, dass der in dem Motor fließende Strom auf einen vorgegebenen Wert begrenzt wird, wenn durch die Einwirkung von Lastzuständen auf dem Motor und auf die an den Motor angelegte Spannung eine Tendenz vorhanden ist, dass der Strom in dem Motor den vorgegebenen Wert überschreitet.
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Vorzugsweise ist die elektronische Steuereinheit vorgesehen, um den in dem Motor fließenden Strom auf einen konstanten vorgegebenen Wert zu begrenzen, wenn die an den Motor angelegte Spannung einen vorgegebenen Wert überschreitet.
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Vorzugsweise ist die elektronische Steuereinheit vorgesehen, um den in dem Motor fließenden Strom auf einen Wert zu begrenzen, der dem Verhältnis zwischen einem vorgegebenen maximalen Wert der Leistung in dem Motor und der an den Motor angelegten Spannung entspricht, wenn durch die Einwirkung von Lastzuständen auf den Motors und auf die an den Motor angelegte Spannung eine Tendenz besteht, dass die Leistung den vorgegebenen maximalen Wert überschreitet.
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Vorzugsweise ist der maximale Wert der Leistung in dem Motor eine vorgegebene Funktion der Temperatur des Transistors.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zur Steuerung eines Gleichstrommotors mit oder ohne Bürsten verwendet werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr anhand eines Beispiels beschrieben, wobei auf die Figuren der anliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird. Identische Strukturen, Elemente oder Teile, die in mehr als einer Figur erscheinen, tragen in sämtlichen Figuren, in denen sie erscheinen, die gleichen Bezugszeichen. Die Abmessungen von Komponenten und Merkmalen, die in den Figuren dargestellt sind, sind allgemein im Hinblick auf eine übersichtliche Darstellung gewählt und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Die Figuren sind im Folgenden aufgelistet.
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1 wurde bereits beschrieben und ist eine zum Teil schematische Darstellung eines Schaltkreises einer Steuervorrichtung für einen Elektromotor eines Kühlgebläses;
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2 ist ein Graph, an dessen Abszisse die Spannung VM in dem Motor und an dessen Ordinate der in dem Motor fließende Strom IM gemäß charakteristischen Betriebskennlinien angegeben ist, die mit Steuervorrichtungen gemäß dem Stand der Technik erzielbar sind;
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3 ist ein Graph ähnlich wie der Graph in 2 und stellt ein Steuerverfahren dar, das mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielbar ist;
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4 ist ein Graph ähnlich wie der Graph in 3 und stellt ein weiteres Steuerverfahren dar, das mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielbar ist; und
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5 ist eine schematische Darstellung der Verfahren für den Betrieb einer Steuervorrichtung gemäß vorliegender Erfindung.
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DETAILBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Eine Steuervorrichtung für einen Elektromotor M eines Kühlgebläses für einen Motor eines Motorfahrzeugs ist vorgesehen, um den Motor gemäß Kennlinien des in 2 dargestellten Typs zu steuern. Die durchgezogene Linie in 2 zeigt die Betriebscharakteristik des Motors M bei einem stehenden Motorfahrzeug. Ist das Motorfahrzeug in Bewegung, variiert die Betriebscharakteristik des Motors M und zeigt einen Verlauf, der anhand der gestrichelten Linie dargestellt ist und der auf die Interferenzwirkung der natürlichen Belüftung aufgrund der Bewegung des Motorfahrzeugs zurückzuführen ist.
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Die anhand der Strich-Punkt-Linie in 2 dargestellte Charakteristik entspricht einem Betriebszustand des Motors, in dem die Drehung der Welle gebremst oder verlangsamt ist.
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In dem Graph von 2 ist die Nennspannung in dem Motor M mit VMNOM bezeichnet und ist allgemein niedriger als die Spannung VS, die durch Quelle (systemeigene Batterie) S ausgegeben wird.
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In dem Graph von 3 sind die gleichen Kennlinien angegeben wie jene, die mit Bezug auf 2 beschrieben wurden. Bei einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, auf die sich 3 bezieht, ist die elektronische Steuereinheit ECU vorgesehen, um den Transistor Q in solcher Weise zu steuern, dass der in dem Motor M fließende Strom auf einen vorgegebenen Wert ILIM begrenzt wird, wenn aufgrund des Lastzustands des Motors M und der an den Motor M angelegten Spannung VM eine Tendenz zur Erhöhung des Stroms IM über den vorgegebenen Wert hinaus besteht.
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Bei dem Steuerverfahren, auf das sich der Graph von 3 bezieht, wird der Strom IM in dem Motor M auf einen Maximalwert ILIM begrenzt, der konstant ist, d. h. der unabhängig ist von dem momentanen Wert der Spannung VM in dem Motor.
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Dieses Steuerverfahren sorgt dafür, dass der Strom IM bei einem stehenden Fahrzeug auf den Wert ILIM begrenzt wird, wenn die Spannung VM in dem Motor größer als VMNOM ist. Wenn aber der Motor M in einem Überlastzustand (verminderte Drehung des Rotors) arbeitet und sein Betriebspunkt seiner Tendenz gemäß beispielsweise durch den Punkt A in 3 dargestellt werden würde, sorgt die Steuereinheit ECU automatisch für eine Reduzierung des Werts der Spannung VM in dem Motor, bis der Strom IM einen Wert gleich dem Maximalwert ILIM erreicht, wodurch der in 3 mit dem Bezugszeichen A' bezeichnete Betriebspunkt aufgeprägt wird.
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Das vorstehend beschriebene Betriebsverfahren ist unabhängig von dem Steuerverfahren des Transistors Q. Der Transistor Q kann beispielsweise linear oder gepulst gesteuert werden, zum Beispiel mit einem Quadratwellensignal mit einer Breite oder Dauer eines modulierten Impulses.
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4 ist ein Graph, der sich auf ein weiteres Steuerverfahren bezieht, das die Implementierung einer weiteren Schutzfunktion ermöglicht. Bei diesem Verfahren wird nicht der in dem Motor M fließende Strom IM begrenzt, sondern es wird ferner auch die Leistung PM = VMIM auf einen vorgegebenen Wert PLIM begrenzt.
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Der Graph von 4 zeigt eine Kurve PM = konstant = PLIM. Wie bekannt ist, sind die Kurven PM = konstant in der Ebene IM, VM im Wesentlichen gleichseitige Hyperbeln.
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Die Begrenzung der Leistung PM auf einen Grenzwert PLIM bedeutet im Wesentlichen die Begrenzung des Stroms IM in dem Motor M auf einen Grenzwert IPLIM = PMLIM/VM gemäß der Variation von VM.
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Es wird auf den Graph von 4 Bezug genommen. Bei einem sich bewegenden Fahrzeug wäre der Betriebspunkt des Motors M der Tendenz gemäß einer der Punkte, die durch die Bezugszeichen B und M gekennzeichnet sind, und die Steuereinheit ECU sorgt dafür, dass eine Reduzierung der Spannung VM in dem Motor M in solcher Weise bestimmt wird, dass die Leistung PM in dem Motor den Wert PLIM nicht überschreitet. Mit anderen Worten: Die ECU greift in einer Weise ein, die bewirkt, dass der Motor M nicht bei den Betriebspunkten B bzw. C, sondern stattdessen bei den Betriebspunkten B' und C' arbeitet.
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In vorteilhafter Weise kann der Grenzwert PLIM anstatt eines konstanten Werts ein entsprechend der Temperatur T des Steuertransistors variierender Wert sein, in dem Sinne, dass der Wert von PLIM reduziert wird, wenn die Temperatur ansteigt, und umgekehrt.
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5 ist eine schematische Darstellung einer Steuerung, die durch den Betrieb der Einheit ECU gemäß den Graphen von 4 erzielt wird. VMR in 5 bezeichnet ein Signal, das die in dem Motor benötigte Spannung angibt, d. h. als Voraussetzung für die Drehgeschwindigkeit des Motors. Ferner sind die vorstehend definierten Grenzwerte für den Strom IM und die Leistung PM mit ILIM und PLIM bezeichnet.
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Es wird auf die schematische Darstellung von 5 Bezug genommen. Die in dem Motor benötigte Spannung VMR erreicht ein Addierglied 2, das davon den Wert VMMEAS subtrahiert, der für die Spannung VM in dem Motor M erstellt wurde. Somit liegen Signale oder Daten, die den Fehler ev der Spannung in dem Motor M angeben, an dem Ausgang des Addierglieds 2 vor. Dieser Fehler ev wird am Eingang einer Steuereinheit DU des Transistors Q bereitgestellt.
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In einer parallelen Weise dividiert ein Dividierer 3 die Grenzleistung PLIM durch den gemessenen Wert VMMEAS der Spannung VM in dem Motor und sorgt dafür, dass an dem Ausgang eine Darstellung eines entsprechenden Grenzstroms PLIM dargestellt wird. Wie in der Darstellung des Grenzstroms ILIM erreicht dieser Grenzstrom den Eingang einer Selektorvorrichtung 4 für einen Minimalwert. Diese Vorrichtung ist vorgesehen, um an dem Ausgang eine Darstellung des Grenzstroms I·LIM = min(ILIM, IPLIM) für ein weiteres Addierglied 5 bereitzustellen.
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Das Addierglied 5 empfängt ferner eine Darstellung des gemessenen Werts IMMEAS des Stroms IM in dem Motor M und stellt an dem Ausgang eine Darstellung des Stromfehlers eI = I*LIM – IMMEAS für die Steuereinheit DU bereit. Diese Steuereinheit sorgt für die Aktivierung der Steuerung gemäß den vorstehend beschriebenen Verfahren.
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Wenngleich die Erfindung unter Bezugnahme auf eine oder mehrere bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass verschiedenen Modifikationen möglich sind, ohne den Schutzrahmen der Erfindung zu verlassen, der durch die anliegenden Ansprüche definiert ist.
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Verben wie ”umfassen”, ”aufweisen”, ”enthalten” und ”haben” sowie deren Abwandlungen in der Beschreibung und in den Ansprüchen der vorliegenden Anmeldung sind in einem einschließenden Sinne zu verstehen. Sie geben an, dass das genannte Element vorhanden ist, schließen jedoch nicht aus, dass noch weitere Elemente vorhanden sind.
