DE102008018819A1

DE102008018819A1 - Motorpumpenaggregat für Kraftfahrzeugbremsenregelungssysteme

Info

Publication number: DE102008018819A1
Application number: DE102008018819A
Authority: DE
Inventors: Andreas Heise; Burkhard Warmbier Leidig; Reinhard Herr; Dieter Barthel; Peter Stauder; Tom Kaufmann; Ralf Hartmann
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 2008-04-15
Filing date: 2008-04-15
Publication date: 2009-10-22
Also published as: WO2009127471A3; WO2009127471A2

Abstract

Motorpumpenaggregat mit einer elektronischen Ansteuerschaltung zur geregelten Ansteuerung eines elektrischen, die Pumpe antreibenden Pumpenmotors, worin der Motor ein bürstenloser Elektromotor ist und eine Bürstenlosgleichstromelektromotoransteuerungsschaltung vorgesehen ist, die den bürstenlosen Elektromotor ansteuert, und wobei eine Wicklungsumschaltung vorgesehen ist, die eine bedarfsgerechte Anpassung des Motormoments und der Nenndrehzahl erlaubt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Motorpumpenaggregat gemäß Oberbegriff von Anspruch 1.
Der Pumpenantrieb in Motorpumpenaggregaten für ein elektronisches Kraftfahrzeugbremssystem 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.
Bürstenlose Gleichstrommotore sind an sich bekannt. Es sind weiterhin Anwendungen für solche Motore 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.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Motorpumpenaggregat gemäß Anspruch 1.
Das erfindungsgemäße Motorpumpenaggregat umfasst eine elektronische Bürstenlosgleichstromelektromotoransteuerungsschaltung zur geregelten Ansteuerung eines elektrischen, eine Pumpe antreibenden Pumpenmotors, welcher ein bürstenloser Elektromotor ist. Vorzugsweise ist innerhalb des Aggregats eine Wicklungsumschaltung vorgesehen, die eine bedarfsgerechte Anpassung des Motormoments und der Nenndrehzahl erlaubt.
An die Bürstenlosgleichstromelektromotoransteuerungsschaltung ist vorzugsweise ein bürstenloser, mehrpoliger Motor (BLDC-Motor) mit permanentmagnetischer oder elektromagnetischer Fremderregung angeschlossen. Ein entsprechender BLDC-Motor weist in der Regel drei Motorwicklungen auf, die innerhalb des Motors am sogenannten Sternpunkt verbunden sind. Vorzugsweise wird im Betrieb mit der Motoransteuerschaltung ein BLDC-Motor eingesetzt, bei dem der Sternpunkt zum Anschluss an die Schaltung herausgeführt ist.
Erfindungsgemäß ist eine Wicklungsumschaltung vorgesehen, die eine bedarfsgerechte Anpassung des Motormoments und der Drehzahl erlaubt. Prinzipiell lässt sich diese Anpassung auch durch eine an sich bekannte Feldschwächungsansteuerung des Motors erreichen. Im Feldschwächbetrieb kann so eine höhere Motordrehzahl erreicht werden. Nachteilig ist, dass zum Erzielen des gleichen Lastmoments im Feldschwächbetrieb ein höherer Motorstrom erforderlich ist. Wenn die durch die erfindungsgemäße Wicklungsumschaltung erreichte Drehzahl noch weiter gesteigert werden soll, kann es zweckmäßig sein, die erfindungsgemäße Wicklungsumschaltung mit dem vorstehend beschriebenen Feldschwächungsverfahren zu kombinieren.
Die Wicklungsumschaltung besteht vorzugsweise darin, dass in einer Betriebsart der Pumpe mehr Wicklungen bestromt werden (z. B. bipolarer Betrieb), als in einer anderen Betriebsart. Hierdurch kann zwischen einem Modus mit erhöhtem Motormoment (mit niedrigerer Drehzahl) und einem Modus mit erhöhter Drehzahl (mit niedrigerem Moment) umgeschaltet werden (z. B. unipolarer Betrieb). Auf diese Weise kann die Verlustleistung im Modus für die höhere Drehzahl auf einem vertretbar geringen Maß gehalten werden. Vorteilhafterweise lassen sich auf diese Weise die Eigenschaften von zwei unterschiedlichen Motoren in einem Motor vereinen.
Bevorzugt sind folgende Kombinationen für Wicklungsansteuerungen durchführbar:

hohe Drehzahl hohes Drehmoment

uniolar bipolar

unipolar tripolar

bipolar tripolar
Dabei wird unter einer tripolaren Ansteuerung eine sogenannte 180°-Kommutierung verstanden. Unter einer bipolaren Ansteuerung wird eine sogenannte 120°-Kommutierung verstanden. Besonders bevorzugt werden die Motorwicklungen bei der 120°-Kommutierung so angesteuert, dass im Falle eines Motors mit 3 Wicklungen zwei der Wicklungen (erste und zweite Wicklung) in Reihe geschaltet sind. Eine weitere Drehzahlstufe ergibt sich, wenn im vorgenannten besonders bevorzugten bipolaren Modus die dritte, nicht in Reihe geschaltete, Wicklung ebenfalls angesteuert wird. In diesem Modus erhält man gegenüber dem tripolaren Modus einen Motorinnenwiderstand von etwa 3/4.
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 einen Schaltplan für eine Motoransteuerungsschaltung im bipolaren Betriebsmodus,
3 die Motoransteuerungsschaltung gemäß 2 im Modus für unipolaren Betrieb und
4 zwei Diagramme zur Erläuterung des unipolaren und bipolaren Betriebsmodus.
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, welche unter anderem die Ansteuerelektronik 18 für den Motor 14 trägt. Motoransteuerelektronik 18 kann auch getrennt von der Bremsenelektronik 17 im Bereich des Motors angeordnet werden.
In 2 ist ein Schaltplan für eine Motoransteuerungsschaltung 18 gezeigt. Motoransteuerungsschaltung 18 wird von einer Gleichspannung zwischen den Anschlüssen GND (Bezugspotential) und V+ versorgt. V+ bezeichnet eine positive Spannung gegenüber dem Bezugspotential an Anschluss GND, welche im Kraftfahrzeugbereich üblicherweise 12 V (Nennspannung) beträgt. Die Versorgungsspannung V+ führt über Halbleiterschalter 4 zur Motoransteuerstufe 2, welche 6 Halbleiterschalter A+, A–, B+, B–, C+, C– umfasst, mit denen die Motorwicklungen A, B und C unabhängig voneinander getaktet bestromt werden können. Die Motoransteuerstufe 2 und geeignete Ansteuerverfahren zur Ansteuerung der darin enthaltenen Halbleiterschalter sowie geeignete Verfahren zur sensorlosen Kommutierung des Motors sind an sich bekannt.
Der in 2 dargestellte Stromlauf entspricht dem bipolaren Betrieb der Schaltung. Schalter 3 ist gesperrt. Da gemäß dem hier beschriebenen Beispiel jeweils zwei Motorwicklungen entsprechend der Rotorlage über eine PWM-Regelung in geeigneter Weise bestromt werden, weist der Motor ein im Vergleich zum Betrieb im Modus gemäß 3 höheres Drehmoment auf. Während der Betriebsart in 2 (bipolar) ist Schalter 4 offen, wohingegen Schalter 3 geschlossen ist. Der (virtuelle) Sternpunkt 9 des Motors befindet sich in diesem Betriebsmodus auf dem Potential V+/2. In der in 1 dargestellten Anwendung der Schaltung in einem Kraftfahrzeugbremsenregelungssystem wird der Motor überwiegend im hier beschriebenen bipolaren Modus angesteuert.
3 zeigt die Schaltung gemäß 2 im Modus für unipolaren Betrieb. Um auf diesen Betriebsmodus umzuschalten, wird Halbleiterschalter 3 geöffnet. Der Sternpunkt 9 des Motors 1 wird auf diese Weise mit dem Pluspotential der Batterieversorgung V+ verbunden. Strom fließt nun, beispielhaft für einen Kommutierungszustand, über Schalter 3 zum Sternpunkt 9 und von dort über Wicklungen C und Schalter C– zum Minuspol GND der Batterie. Die von der letzten Abkommutierung gespeicherte Energie im Kondensator C1 wird solange die Kondensatorspannung > V+ ist, über Schalter A+ zusätzlich in den Motor eingeleitet. Abhängig vom Kommutierungszustand werden abwechselnd alle Schalter der Brückenschaltung A+, A–, B+, B– C+, C– betätigt Schalter 4 bleibt während des hier beschriebenen Betriebszustands immer geschlossen. Bei der Stromführung entsprechend 3 kann eine um den Faktor 2 höhere Nenndrehzahl als bei der Stromführung in 1 erreicht werden, allerdings ist das erreichbare Drehmoment des Motors geringer. Dieser Modus wird im Anwendungsbeispiel eines Pumpenmotors gemäß 1 lediglich kurzzeitig gewählt, um eine besonders hohe Förderleistung zu erzielen.
4a) zeigt qualitativ den Verlauf des Motordrehmoments T gegenüber der Drehzahl n für eine Motoransteuerung im bipolaren Betrieb (durchgezogene Linie 5) und eine Motoransteuerung im unipolaren Betrieb 6 (durchgezogene Linie 6).
In 4 b) ist der Drehmomentverlauf T in Abhängigkeit des Stroms dargestellt. Kurve 7 (durchgezogene Linie) stellt das Drehmoment für den bipolaren Betrieb, Kurve 8 (gestrichelte Linie) entspricht dem Drehmomentverlauf im unipolaren Betrieb.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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

Claims

Motorpumpenaggregat mit einer elektronischen Ansteuerschaltung zur geregelten Ansteuerung eines elektrischen, die Pumpe antreibenden Pumpenmotors, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor ein bürstenloser Elektromotor ist und eine Bürstenlosgleichstromelektromotoransteuerungsschaltung vorgesehen ist, die den bürstenlosen Elektromotor ansteuert, und wobei eine Wicklungsumschaltung vorgesehen ist, die eine bedarfsgerechte Anpassung des Motormoments und der Drehzahl erlaubt.
Motorpumpenaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine weitere Elektronik in der Ansteuerelektronik eine erste Betriebsart der Pumpe ausgewählt wird, bei der mehr Motorwicklungen bestromt werden als in einer zweiten Betriebsart der Pumpe, 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.
Motorpumpenaggregat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor ein mehrpoliger Motor (1) mit permanentmagnetischer oder elektromagnetischer Fremderregung ist, welcher weiterhin Motorwicklungen (A, B, C) und drei Motoranschlüsse (a, b, c) umfasst, die zur elektrischen Ansteuerung mit der Ansteuerungsschaltung verbunden sind, welche Wicklungshalbleiterschalter (A+, A–, B+, B–, C+, C–) umfasst, die für einen Motorlauf geeignet ansteuerbar sind, wobei die Ansteuerschal tung von einer Gleichspannung (V+) versorgt wird.
Motorpumpenaggregat nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bürstenlosgleichstromelektromotoransteuerungsschaltung zwischen positivem Versorgungspotential (V+) und dem Bezugspotential (GND) der Schaltung oder vor den Wicklungshalbleiterschaltern (A+, A–, B+, B–, C+, C–) einen Kondensator (C1) parallel zur Spannungsquelle aufweist, der durch einen Halbleiterschalter (4) von der Betriebsspannung (V+) abgetrennt werden kann, wobei der Halbleiterschalter (4) bevorzugt zwischen Kondensator und dem positiven Versorgungspotential (V+) und/oder zwischen Kondensator und Bezugspotential (GND) angeordnet ist.
Motorpumpenaggregat nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bürstenlosgleichstromelektromotoransteuerungsschaltung mindestens einen Halbleiter-Sternpunktschalter (3) umfasst, mit dem der Sternpunkt des Motors, welcher aus dem Motorinneren nach außen geführt ist, zur Wicklungsanpassung mit einem geeigneten Potential zeitweise verbunden werden kann.
Motorpumpenaggregat nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Sternpunktpotential auf die positive Versorgungsspannung oder das Bezugspotential (GND) einer Batterie gelegt ist.
Motorpumpenaggregat nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerleitungen der Halbleiterschalter von einer integrier ten Schaltung, insbesondere einem Mikrocontroller angesteuert werden.
Motorpumpenaggregat nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkommutierungsenergie einer oder mehreren Motorwicklungen (A, B, C) in einer Kapazität (C1) oder Induktivität zwischengespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt einer anderen Motorwicklung wieder zugeführt wird.
Verwendung des Motorpumpenaggregats nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche in Kraftfahrzeugen, insbesondere in einem hydraulischen Kraftfahrzeugbremsdruckregelaggregat.