DE102008052779A1

DE102008052779A1 - Elektromotor zum Antrieb eines Kompressors

Info

Publication number: DE102008052779A1
Application number: DE102008052779A
Authority: DE
Inventors: Ralf Bremeier
Original assignee: Wabco GmbH
Current assignee: ZF CV Systems Hannover GmbH
Priority date: 2008-10-22
Filing date: 2008-10-22
Publication date: 2010-04-29
Also published as: WO2010045993A1; EP2340607A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor (15) zum Antrieb eines Kompressors einer Luftversorgungseinheit eines Fahrzeugs, wobei der Elektromotor (15) zumindest einen Halbleiterschalter (30) zur Ansteuerung des Elektromotors (15) aufweist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Kompressoraggregat, umfassend einen Kompressor und einen Elektromotor (15).

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor zum Antrieb eines Kompressors. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Kompressoraggregat zur Erzeugung von Druckluft in Fahrzeugen.
Kompressoren zur Erzeugung von Druckluft in Fahrzeugen werden oftmals von Elektromotoren angetrieben. Dabei werden die Elektromotoren bedarfsgerecht betrieben, d. h. wenn Druckluft benötigt wird, wird der jeweilige Elektromotor eingeschaltet und bei ausreichend erzeugter Druckluftmenge ausgeschaltet. Es ist bekannt als Schalter hierfür ein elektromechanisches Relais zu verwenden, welches einen beweglichen Anker zur Betätigung von Kontakten und eine Spule zur Realisierung der Schaltfunktion aufweist. Zur Betätigung der Schaltfunktion wird ein Steuereingang des Relais über eine Steuerleitung mittels eines Steuergerätes mit einer Steuerspannung bzw. einem Steuerstrom beaufschlagt. Aufgrund der Beauschlagung kommt es zu einem Schließen oder in dem geschlossenen Fall zu einem Öffnen der Kontakte. Im geschlossenen Zustand fließt der von dem Elektromotor benötigte Strom, der um Größenordnungen höher als der Steuerstrom ist, durch die Kontakte. Mit einer sehr geringen Steuerleistung bzw. Steuerstrom können somit hohe Ströme geschaltet werden. Das Relais befindet sich z. B. im oder in der Nähe des Sicherungskastens des Fahrzeugs und ist über ein Kabel mit dem Elektromotor verbunden. Ein Problem bei der Verwendung von elektromechanischen Relais stellt das Festkleben der Kontakte dar. Bei diesem Festkleben sind die Kontakte miteinander verbunden und lassen sich durch die Steuerspannung nicht mehr trennen, wodurch der Elektromotor dauerhaft eingeschaltet ist. Da der Elektromotor üblicherweise nicht für den Dauerbetrieb ausgelegt ist, kann er hierdurch Schaden nehmen.
Es ist weiterhin bekannt, als Schalter einen Halbleiterschalter oder ein Halbleiterrelais zu verwenden, der im Steuergerät angeordnet und über ein Kabel mit dem Elektromotor verbunden ist. Aufgrund des hohen Stroms beim Einschalten und im eingeschalteten Zustand des Elektromotors, sind entsprechende EMV-Maßnahmen sowie Kühlmaßnahmen im Steuergerät erforderlich. Des Weiteren wird auch ein Kabel mit entsprechendem Durchmesser benötigt. Diese Aspekte führen zu einem entsprechenden Aufwand bei der Realisierung einer Anlage zur Erzeugung von Druckluft in einem Fahrzeug bzw. entsprechenden Kosten.
Der Erfindung liegt die daher die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige und zuverlässige Anlage zur Versorgung von Fahrzeugen mit Druckluft zur Verfügung zu stellen.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale. Die Unteransprüche enthalten zweckmäßige Weiterbildungen.
Die Erfindung sieht die Integration eines Halbleiterschalters oder eines Halbleiterrelais in einen Elektromotor vor. Durch die Verwendung von einem Halbleiterschalter wird das bei elektromechanischen Relais eventuell auftretende Kleben der Kontakte vermieden und somit die Zuverlässigkeit der Anlage zur Druckluftversorgung erhöht. Durch die Integration des Halbleiterschalters in den Elektromotor werden darüber hinaus die Kosten der Anlage reduziert, da das Kabel zwischen Elektromotor und Steuergerät aufgrund des sehr geringen Steuerstroms im Vergleich zum Strom, der durch den Elektromotor fließt, entsprechend geringer im Durchmesser ausfallen kann. Des Weiteren weist die erfindungsgemäße Lösung ein verbessertes EMV-Verhalten auf. Unter einen Halbleiterschalter im Sinne der Erfindung ist auch ein Halbleiterrelais zu verstehen.
Des Weiteren umfasst die Erfindung ein Kompressoraggregat gemäß Anspruch 6, eine Luftfederungsanlage gemäß Anspruch 8 und eine Bürstenbrücke eines Elektromotors gemäß Anspruch 9.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus den anhand der beigefügten Zeichnung näher erläuterten Ausführungsbeispielen. In der Zeichnung zeigt:
1 eine schematische Ansicht eines Elektromotors zum Antrieb eines Kompressors mit integriertem Halbleiterschalter,
2 eine schematische Ansicht einer Bürstenbrücke eines Elektromotors mit integriertem Halbleiterschalter,
3 eine schematische Ansicht eines Kompressoraggregats und
4 eine schematische Darstellung einer Druckmittelanlage für eine pneumatische Fahrzeugfederung.
1 zeigt eine Seitenansicht eines Elektromotors 15 zum Antrieb eines Kompressors 13 einer Luftversorgungseinheit, wobei der Elektromotor 15 einen Halbleiterschalter 30 zur Ansteuerung des Elektromotors 15 aufweist. Unter der Ansteuerung des Elektromotors 15 durch den Halbleiterschalter 30 ist zu verstehen, dass mindestens eine Wicklung des Elektromotors über den Halbleiterschalter 30 mit einer Spannungsquelle verbindbar ist und somit über den Halbleiterschalter 30 ein Stromfluss in der Wicklung ermöglicht wird. Bei der in 1 gezeigten Ausführung ist der Halbleiterschalter in einer Bürstenbrücke 40 des Elektromotors 15 integriert. Unter einer Bürstenbrücke 40 ist der Teil des Elektromotors 15 zu verstehen, der die Kontakte zur Herstellung des elektrischen Kontaktes mit mindestens einer Spule eines Ankers des Elektromotors 15 um fasst. Mit der erfindungsgemäßen Integration des Halbleiterschalters 30 in den Elektromotor 15 bzw. bei der in 1 dargestellten Ausführung in die Bürstenbrücke 40 werden folgende Vorteile erzielt. Eine Anlage zur Versorgung eines Fahrzeugs mit Druckluft mit dem erfindungsgemäßen Elektromotor 15 kann kostengünstig hergestellt werden, da der Verkabelungsaufwand reduziert ist. Des Weiteren ist die Anlage sehr zuverlässig, da kein Kleben von Kontakten mehr auftreten kann.
2 zeigt eine Draufsicht auf die in 1 dargestellte Bürstenbrücke 40. Es ist zu erkennen, dass der Halbleiterschalter 30 zwischen Kontakten 41, 42 der Bürstenbrücke 40 angeordnet ist. Über die Kontakte 41, 42 wird der elektrische Kontakt mit einer Ankerspule des Elektromotors 15 hergestellt. Hierbei ist ein Kontakt 42 mit Masse verbunden. Der andere Kontakt 42 ist mit dem Halbleiterschalter 30 verbunden. Über den Halbleiterschalter 30 kann dieser Kontakt 42 mit der Versorgungsspannung verbunden und somit die Ankerspule mit Strom beaufschlagt werden. Die Kontakte 41, 42 bestehen üblicherweise aus Kohlenbürsten. Neben der in 2 gezeigten Ausführungsform ist auch eine Ausführung denkbar, bei der ein Kontakt der Bürstenbrücke 40 mit der Versorgungsspannung verbunden ist und der andere Kontakt über den Halbleiterschalter 30 mit der Masse verbindbar ist.
3 zeigt ein Kompressoraggregat. Das Kompressoraggregat weist neben dem erfindungsgemäßen Elektromotor 15 mit integriertem Halbleiterschalter 30 einen Verdichter 13 und einen Lufttrockner 14 auf. Über ein Kabel 45 ist der Halbleiterschalter 30 mit einem Anschlussstecker 50 verbunden, über den die benötigten elektrischen Verbindungen zum Kompressoraggregat hergestellt werden können. Das dargestellte Kompressoraggregat ermöglicht einen besonders kostengünstigen Aufbau einer Anlage zur Versorgung eines Fahrzeugs mit Druckluft.
In 4 ist eine Anlage zur Versorgung eines Fahrzeugs mit Druckluft als Teil einer Luftfederungsanlage dargestellt. Es handelt sich dabei um eine Luftfede rungsanlage für ein Fahrzeug, die vier Luftfederbälge 1, 2, 3, 4 umfasst, die jeweils ein Rad eines vierrädrigen Fahrzeugs abfedern. Die Luftfederbälge 1, 2, 3, 4 sind über pneumatische Leitungen mit 2/2-Wegeventilen 6, 7, 9, 10 verbunden. Des Weiteren ist ein Druckspeicher 5 vorgesehen, der über eine pneumatische Leitung mit einem weiteren 2/2-Wegeventil 8 verbunden ist. Zur Sensierung des Drucks in dem Druckspeicher 5 ist ein Drucksensor 11 mit dem Druckspeicher 5 verbunden.
Die Ventile 6, 7, 8, 9, 10 sind druckmittelseitig über weitere pneumatische Leitungen gemeinsam an einen Lufttrockner 14 mit Regenerationsfunktion angeschlossen. Der Lufttrockner 14 weist eine Regenerationsfunktion bekannter Art auf, bei der Druckluft aus den Luftfederbälgen 1, 2, 3, 4 oder dem Druckspeicher 5 über die Ventile 6, 7, 8, 9, 10 in den Lufttrockner 14 zurückströmt und über einen Regenerationspfad in die Atmosphäre abgelassen werden kann, wobei Feuchtigkeit abgeführt wird.
Der Lufttrockner 14 ist druckmittelseitig mit einem Kompressor 13, z. B. einem Kolbenkompressor üblicher Bauart, verbunden. Der über eine Welle von dem Elektromotor 15 antreibbare Kompressor 13 saugt über einen Ansauganschluss 17 Luft aus der Atmosphäre an. Durch Einschalten des Elektromotors 15 kann komprimierte Luft erzeugt und an die die Druckmittelanlage 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 14 darstellende Luftfederungsanlage abgegeben werden.
Die Ventile 6, 7, 8, 9 10 sind als elektromagnetisch betätigbare Ventile ausgebildet und mit ihren elektrischen Anschlüssen einerseits mit der elektrischen Masse verbunden, andererseits mit einem elektronischen Steuergerät 12, das zur Steuerung der nachfolgend noch näher beschriebenen Funktionen dient. Des Weiteren ist der Lufttrockner 14 zwecks Aktivierung der Regenerationsfunktion über eine elektrische Leitung mit dem Steuergerät 12 verbunden.
Der Elektromotor 15 ist zur Aktivierung über den Halbleiterschalter 30 über eine elektrische Steuerleitung 31 mit dem Steuergerät 12 verbunden. Des Weiteren ist der Halbleiterschalter noch über eine elektrische Messleitung 32 mit dem Steuergerät 12 verbunden. Weiterhin ist der Halbleiterschalter über eine elektrische Leitung 33 mit einer im Fahrzeug vorhandenen Versorgungsspannung verbunden. Über die Steuerleitung 31 kann der Halbleiterschalter 30 und somit der Elektromotor 15 ein- oder ausgeschaltet werden. Hierzu wird der Halbleiterschalter 30 und somit der Elektromotor 15 von dem Steuergerät 12 mit einer pulsweitenmodulierten Spannung angesteuert. Über das Puls/Pausen-Verhältnis dieser Spannung kann die Drehzahl des Elektromotors 15 gesteuert werden. Hierdurch ist z. B. ein Sanftanlauf des Elektromotors 15 möglich. Ein Sensorausgang des Halbleiterschalters 30 ist über die Messleitung 32 mit dem Steuergerät 12 verbunden. Der Sensorausgang dient zur Ausgabe eines Stromsignals, welches proportional zu dem durch den Halbleiterschalter 30 und somit durch den Elektromotor 15 fließenden Stroms ist. Anhand des Stromsignals wird in dem Steuergerät 12 die Drehzahl des Elektromotors 15 und der von dem Kompressor 13 erzeugte Druck ermittelt.
Der Drucksensor 11 ist über weitere elektrische Leitungen mit dem Steuergerät 12 verbunden. Des Weiteren ist mit dem Steuergerät 12 ein z. B. von dem Fahrer des mit der Luftfederungsanlage ausgestatteten Fahrzeuges zu bedienendes Bedienelement 18 verbunden, mit dem die Einstellung verschiedener Fahrzeugniveaus, z. B. eines oberen, eines mittleren und eines unteren Niveaus, möglich ist. Das jeweilige Fahrzeugniveau bzw. die jeweilige Niveaulage an den einzelnen Federbeinen des Fahrzeugs wird über geeignete Wegsensoren gemessen, die in der 1 der Einfachheit halber nicht dargestellt sind. Diese Wegsensoren bekannter Bauart sind ebenfalls mit dem Steuergerät 12 verbunden.
Das Steuergerät 12 verarbeitet diese Eingangssignale des Drucksensors 11, des Bedienelements 18 und der Wegsensoren und erzeugt hieraus Ansteuersignale für den Halbleiterschalter 30, den Lufttrockner 14 sowie die Ventile 6, 7, 8, 9, 10.
Die Luftfederungsanlage gemäß 1 arbeitet wie folgt:
Wenn das Steuergerät 12 an einem oder mehreren Federbeinen eine Abweichung zwischen der durch den jeweiligen Wegsensor gemessenen Niveaulage und einer Soll-Niveaulage, die aufgrund des Bedienelements 18 bestimmt wird, feststellt, so steuert es das dem Federbein zugeordnete Magnetventil 6, 7, 9, 10 an, wodurch das Ventil von seiner Sperrstellung in einer Durchlassstellung geschaltet wird. Sofern die Niveaulage erhöht werden soll und somit die Luftmasse in dem Luftfederbalg 1, 2, 3, 4 erhöht werden muss, steuert das elektronische Steuergerät 12 zusätzlich das Magnetventil 8 an, wodurch Druckmittel von dem Druckspeicher 5 in den jeweiligen Luftfederbalg 1, 2, 3, 4 strömen kann. Je nach gewünschtem Druck in dem Luftfederbalg 1, 2, 3, 4 und vorhandenem Druck in dem Druckspeicher 5 schaltet das Steuergerät 12 gegebenenfalls zusätzlich den Elektromotor 15 mittels des Halbleiterschalters 30 ein, wodurch der Kompressor 13 in Betrieb gesetzt wird und ein höheres Druckniveau erzeugt werden kann als in dem Druckspeicher 5 noch vorliegt.
Es ist erkennbar, dass bei häufigem Niveauwechsel, z. B. infolge häufiger Betätigung des Bedienelements 18, der Druckluftvorrat in dem Druckspeicher 5 aufgebraucht wird und somit Druckluft durch den Kompressor 13 nachgefördert werden muss. Üblicherweise ist der Druckspeicher 5 für ein- bis zweimaliges vollständiges Absenken und Anheben des Fahrzeugs dimensioniert.
Falls eine Verminderung der Luftmasse in einem Luftfederbalg 1, 2, 3, 4 notwendig ist, so bleibt das Ventil 8 geschlossen und der Kompressor 13 ausgeschaltet. Des Weiteren wird der Lufttrockner 14 in die Regenerationsstellung umgeschaltet, wodurch Druckluft aus dem zu entlüftenden Luftfederbalg 1, 2, 3, 4 in die Atmosphäre strömen kann. Hierbei wird außerdem unerwünschte Feuchtigkeit abgeschieden.

Claims

Elektromotor (15) zum Antrieb eines Kompressors (13) einer Luftversorgungseinheit eines Fahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (15) zumindest einen Halbleiterschalter (30) zur Ansteuerung des Elektromotors (15) aufweist.
Elektromotor (15) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterschalter (30) in eine Bürstenbrücke (40) des Elektromotors (15) integriert ist.
Elektromotor (15) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (15) mit einer pulsweitenmodulierten Spannung angesteuert wird.
Elektromotor (15) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterschalter (30) einen Sensorausgang zur Ausgabe eines Stromsignals aufweist.
Elektromotor (15) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass anhand des Stromsignals die Drehzahl des Elektromotors (15) und/oder der von dem Kompressor (13) erzeugte Druck bestimmt wird.
Kompressoraggregat umfassend einen Kompressor (13) und einen Elektromotor (15) nach einem der vorherigen Ansprüche zum Antrieb des Kompressors (13).
Kompressoraggregat nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einer Lufttrockner (14).
Luftfederungssystem eines Fahrzeugs, gekennzeichnet durch einen Elektromotor (15) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder Kompressoraggregat nach einem der Ansprüche 6 bis 7.
Bürstenbrücke (40) eines Elektromotors (15), gekennzeichnet durch ein Halbleiterschalter (30) zur Ansteuerung des Elektromotors (15).