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WO2013007679A2 - Elektrische maschine für einen lenkantrieb - Google Patents

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WO2013007679A2
WO2013007679A2 PCT/EP2012/063376 EP2012063376W WO2013007679A2 WO 2013007679 A2 WO2013007679 A2 WO 2013007679A2 EP 2012063376 W EP2012063376 W EP 2012063376W WO 2013007679 A2 WO2013007679 A2 WO 2013007679A2
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WO
WIPO (PCT)
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rotor
poles
excitation
winding
electrical machine
Prior art date
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Application number
PCT/EP2012/063376
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English (en)
French (fr)
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WO2013007679A3 (de
Inventor
Kurt Reutlinger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Publication of WO2013007679A3 publication Critical patent/WO2013007679A3/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D5/00—Power-assisted or power-driven steering
    • B62D5/04—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear
    • B62D5/0403—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear characterised by constructional features, e.g. common housing for motor and gear box
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K16/00—Machines with more than one rotor or stator
    • H02K16/04—Machines with one rotor and two stators
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K23/00—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors
    • H02K23/02—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors characterised by arrangement for exciting
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    • H02K23/00—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors
    • H02K23/02—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors characterised by arrangement for exciting
    • H02K23/06—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors characterised by arrangement for exciting having shunt connection of excitation windings
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2213/00—Specific aspects, not otherwise provided for and not covered by codes H02K2201/00 - H02K2211/00
    • H02K2213/06—Machines characterised by the presence of fail safe, back up, redundant or other similar emergency arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K23/00—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors
    • H02K23/02—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors characterised by arrangement for exciting
    • H02K23/04—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors characterised by arrangement for exciting having permanent magnet excitation

Definitions

  • the present invention relates to electric machines, in particular to hybrid-excited DC machines for use in steering drives for electrically assisted steering systems.
  • the present invention relates to the construction of a hybrid-excited DC machine for steering assistance.
  • an electric motor engages the steering to amplify the steering effort exerted by the driver.
  • it is customary to couple the steering drive rigidly with the steering wheel via a transmission.
  • such an arrangement has the disadvantage that torque fluctuations of the steering drive on the steering wheel are noticeable, whereby the ride comfort can be affected.
  • the driver in the event of a fault in which the steering drive fails, the driver must still be able to steer the vehicle, even without the steering drive assisting the steering.
  • a rotary electric machine in particular a hybrid-excited DC machine, is provided for a steering drive for use in a steering assistance.
  • the electric machine includes:
  • a rotor having a rotor winding with rotor coils
  • a commutator for mechanically commutating the rotor coils of the rotor winding
  • stator with one or more exciter systems adjacent in the axial direction, each of which provides an arrangement of stator poles in the circumferential direction, wherein the stator poles of at least one of the excitation systems have one or more permanent magnet poles and one or more electrically excitable passive poles.
  • One idea of the above electrical machine is to combine the advantages of a mechanically commutated DC machine with a possibility of field weakening of the stator magnetic field normally not changeable in a DC machine.
  • the outlay for the control can be significantly reduced in comparison with electronically commutated electrical machines.
  • the above electrical machine requires no position sensor or position detection for electronic commutation, since this function is taken over by the mechanical commutator.
  • control is easier, since in mechanically commutated electrical machines for adjusting the torque or the power only a so-called H-bridge is required, which can be realized with four semiconductor switches. In contrast, an electronically commutated three-phase electric machine would already require six semiconductor switches.
  • a permanent magnet-excited DC machine has a speed curve over the torque, which corresponds to the characteristic of a shunt machine.
  • the curve corresponds to a straight line and intersects the two axes on the one hand at the idle speed and the other at the short-circuit torque.
  • a characteristic curve with a pronounced field weakening range would be desirable, but this would not be possible with permanent magnet-excited direct current machines since the commutation is determined there by the fixed arrangement of the commutator and the permanent magnets.
  • the above electric machine offers a possibility of varying the exciting magnetic field by providing electrically energizable passive poles, so that the machine is operable in a field weakening operation.
  • a permanent-magnet-excited DC machine Another disadvantage of a permanent-magnet-excited DC machine is its braking torque occurring in the event of a fault. In the event of a terminal short circuit, the braking torque exceeds that of permanent magnet mechanically commutated DC machines very quickly limits the maximum allowable braking torque, since the braking torque is proportional to the speed of the DC machine. The above electric machine reduces the braking torque in case of failure, since only a part of the stator poles is provided with permanent magnets.
  • two of the permanent magnet poles may be provided opposite one another and with opposite polarity relative to one another with respect to a direction to the rotor, wherein two passive poles are arranged opposite one another.
  • At least one of the permanent magnet poles and one of the passive poles can be arranged opposite one another in at least one of the exciter systems.
  • the passive poles are each provided with an exciter coil in order to excite them electrically.
  • a plurality of stator poles containing at least one passive pole may be enclosed by an exciter coil to electrically excite them.
  • an excitation coil arranged perpendicular to an axial direction of the rotor can be provided which extends between the stator poles of the two exciter systems.
  • one or more follower poles are provided in the one or more excitation systems, which are not electrically excitable.
  • At least one of the following poles can be arranged directly between a permanent magnet pole and a passive pole.
  • the rotor may extend substantially over the axial length of a plurality of the excitation systems, so that the rotor coils extend over a plurality of exciting systems.
  • the rotor coils of the rotor winding can be connected in series. This has the advantage that it can compensate for the different voltages induced at the different stator poles.
  • a drive comprises: - the above electric machine;
  • a driver circuit for providing a rotor current for energizing the rotor winding
  • control unit for driving the driver circuit to provide a desired rotor current and the energizing circuit for providing a desired exciting current.
  • a drive comprising:
  • a driver circuit for providing a current for energizing the series connection of the field winding and the rotor winding
  • control unit for driving the driver circuit to provide a desired current through the field winding and the rotor winding.
  • a rectifier circuit may be provided to rectify either the current through the rotor winding or the current through the field winding.
  • Figures 1 a to 1 c is a schematic cross-sectional view of a hybrid-excited DC machine and a representation of the polarity of the stator poles at different excitations
  • Figures 2a to 2c is a schematic cross-sectional view of a hybrid-excited DC machine according to another embodiment and a representation of the polarity of the stator poles at different excitations
  • Figure 3 is a schematic cross-sectional view of a hybrid-excited DC machine according to another embodiment
  • Figure 4 is a schematic cross-sectional view in axial
  • Figures 5a to 5c is a schematic cross-sectional view in axial
  • Figure 6 is a schematic representation of a drive system with a DC machine according to one of the figures 1 to 5 according to a further embodiment
  • Figure 7 is a schematic representation of a drive system with a DC machine according to one of Figures 1 to 5 with a drive circuit according to another embodiment
  • FIG. 8 shows a schematic representation of a drive system with a DC machine according to one of FIGS. 1 to 5 and with a drive circuit according to a further embodiment
  • Figure 9 is a schematic representation of a drive system with a DC machine according to one of Figures 1 to 5 and with a drive circuit according to another embodiment.
  • FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of a hybrid-excited DC machine 1 as an electric machine for a steering drive.
  • the DC machine 1 has a circular stator 2, which is provided with permanent magnet poles 3 and with electrically energizable passive poles 4.
  • the permanent magnet poles 3 and the passive poles 4 are aligned in the direction of an inner recess 5 of the stator 2, in which a rotor 6 is rotatably arranged.
  • the illustrated rotor 6 has, for example, 16 rotor slots, which are provided with a corresponding rotor winding with rotor coils 10.
  • the rotor 6 may also have other numbers.
  • the rotor coils 10 of the rotor winding of the rotor 6 are energized via a mechanical commutator 9, which is arranged axially (perpendicular to the plane of the drawing) offset to the rotor 6 on a rotor shaft 7, depending on a position of the rotor 6.
  • the total number of stator poles is six, d. H. four permanent magnet poles 3 and two passive poles 4, which are arranged distributed uniformly around the circumference of the stator 2.
  • the permanent magnet poles 3 face each other with different magnetic polarities of the permanent magnets (with respect to the radial direction inwards).
  • the passive poles 4 of the stator 2 are also opposite each other and are each provided with an excitation coil 8 of an excitation winding, in addition to the magnetic flux caused by the permanent magnets 3 magnetic field in the
  • the excitation coils 8 of the exciter winding can be arranged on the passive poles 4 such that, when the excitation coils 8 are energized together, the passive poles 4 have different polarities inwardly with respect to the radial direction.
  • the passive poles 4 are poled so that they have a different polarity to the circumferentially adjacent permanent magnet poles 3.
  • the stator poles of the stator 2 may have alternating polarities in the circumferential direction. This condition is called positive arousal.
  • the magnetic field in the electrically excited stator poles 4 becomes weaker. If, as shown in FIG. 1 c, the direction of the exciter current impressed into the excitation winding 8 is reversed, the passive poles 4 can be poled such that they have the same polarity as their permanent magnet poles 3 adjacent in the circumferential direction. This condition is called negative arousal.
  • the induced voltage in the rotor winding is thus different among the different stator poles.
  • FIG. 2a shows a four-pole stator with a permanent magnet pole 3, a passive pole 4 which can be excited electrically via an excitation coil 8, and two follower poles 12.
  • the rotor 6 substantially corresponds to the known design of the rotor 6 of the embodiment of FIG.
  • the rotor winding is designed in FIG. 1 as a 6-pole rotor winding and in FIG. 2a as a 4-pole rotor winding.
  • the electrically excited passive pole 4 lies opposite the permanent magnet pole 3.
  • FIG. 2 a it is possible to arrange permanent magnet poles 3 and electrically energizable passive poles 4 opposite one another and to form further stator poles as non-excitable follower poles 12.
  • the induced voltages in the rotor coils 10 may be different among the various stator poles 3, 4, 12, it is also useful in this embodiment, the rotor coils 10 of the rotor winding in series, ie as a wave winding to provide, so that in the individual rotor coils 10 induced voltages add.
  • Figure 2a also makes it possible to excite the electrically excited stator pole 4 inwardly opposite to the polarity of the permanent magnet pole 3 with respect to the radial direction, as shown in Figure 2c.
  • the follower poles 12 are not formed as magnetically active stator poles, since the magnetic inference of the permanent magnet pole 3 takes place via the electrically energizable passive pole 4 and vice versa. Effectively, the so energized stator 2 acts as a two-pole stator, since the follower poles 12 do not give off any appreciable magnetic field. (Fig. 2b)
  • the stator 2 has permanent magnet poles 3 and electrically energizable passive poles 4.
  • the permanent magnet poles 3 have a poling opposite to the radial direction inwards.
  • an exciting coil 13 encloses three stator poles each: two electrically energized passive poles 4 and a permanent magnet pole 3 interposed therebetween.
  • FIG. 4 shows a hybrid-excited DC machine according to another embodiment
  • Embodiment shown in a cross section in the axial direction In this embodiment, two excitation systems are arranged axially separated from each other.
  • a first exciter system E1 has exclusively electrically excitable passive poles 4 or, in the case of a follower pole arrangement, alternating with follower poles 12 arranged therebetween, while a second exciter system E2 only Has permanent magnet poles 3 or at a follower pole in alternation with arranged thereon follower poles 12.
  • a DC machine 1 with two excitation systems E1, E2 can also be provided with a circumferential exciter coil 13 arranged concentrically around the machine axis.
  • the circulating excitation coil 13 is located between the stator poles of the exciter systems E1, E2.
  • each exciter system E1, E2 is formed both with electrically energizable passive poles 4 and with permanent magnet poles 3, which are arranged alternately in the circumferential direction.
  • an electrically energizable passive pole 4 is then adjacent in the axial direction to a permanent magnet pole 3, as shown in the representation of Figure 5 in longitudinal section. Due to the concentric arrangement of the circulating exciter coil 13, a very short winding length is achieved, so that the ohmic resistance of the circulating exciter coil 13 and thereby the power requirement for the magnetic field excitation is reduced.
  • the electrically excitable passive poles 4 of the exciter systems E1, E2 assume a respective opposite polarity to the permanent magnet poles 3 of the respective exciter system E1, E2.
  • the passive poles 4 are provided with the same polarity as that of the permanent magnet poles 3 of the respective excitation system E1, E2, thereby attenuating the excitation or the usable magnetic field.
  • the rotor coils 10 of the rotor 6 of the embodiments shown in Figures 5a to 5c extend substantially over the entire axial length of both excitation systems E1, E2 and thus each rotor coil is at a given time both under a Permanentmagnetpol 3 one of the exciter systems and below an electrically excitable passive pole 4 of the corresponding other pathogen system.
  • the induced voltage results from the sum of the two pole inductions.
  • the corresponding excitation coil must be supplied with electrical energy to achieve the electrical excitation. While current regulation for the rotor current flowing via the mechanical commutator is sufficient in a permanent-magnet-excited DC machine for torque control, it is necessary in the case of a hybrid-excited DC machine to provide additional circuitry for the excitation winding.
  • FIG. 6 shows a possible steering drive with a hybrid-excited DC machine 1 and a drive circuit 20 is shown as a driver circuit.
  • the H circuit comprises two series circuits of semiconductor switches 21 with freewheeling diode 24 connected in parallel to each semiconductor switch 21.
  • the series circuits are supplied by the supply voltage potential and each have a node between the two semiconductor switches 21, each with a brush connection of the commutator 9 DC machine 1 is connected.
  • the semiconductor switch 21, z. B. via a control unit 30, the current for operating the DC machine 1 can be adjusted.
  • the semiconductor switches 21 are driven so that there is a pulse width modulated voltage to the brushes of the commutator 9 of the DC machine 1.
  • the excitation winding 8 is controlled by a simple further semiconductor switch 22 here.
  • the exciter winding 8 is connected in series with the further semiconductor switch 22 to supply voltage lines.
  • the energization of the field winding 8 can also be done via a pulse width modulated control of the further semiconductor switch 22.
  • Parallel to the exciter winding 8, a freewheeling diode 23 is further provided, which is provided in the reverse direction in normal operation and serves, when shutdown ten of the power supply to the excitation winding 8 occurring freewheeling currents to lead.
  • the voltage can also be clocked in accordance with a tolerance band control.
  • either the connected via the commutator 9 rotor coils 10 or the excitation winding 8 via a rectifier 25 may be connected to each other, so that either the energization of the rotor coils 10 or the energization of Excitation winding 8 is always rectified regardless of the applied current. For different current directions reversing the direction of rotation can be achieved by reversing the motor current.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine rotatorische elektrische Maschine (1), insbesondere eine hybriderregte Gleichstrommaschine, für einen Lenkantrieb zum Einsatz in einer Lenkunterstützung, umfassend: -einen Rotor (6) mit einer Rotorwicklung mit Rotorspulen (10); -einen Kommutator (9) zum mechanischen Kommutieren der Rotorspulen (10) der Rotorwicklung; -einen Stator (2) mit einem oder mehreren in axialer Richtung benachbarten Erregersystemen (E1, E2), die jeweils eine Anordnung von Statorpolen (3, 4) in Umfangsrichtung vorsehen, wobei die Statorpole mindestens eines der Erregersysteme(E1, E2) einen oder mehrere Permanentmagnetpole (3) und einen oder mehrere elektrisch erregbare Passivpole (4) aufweisen.

Description

Beschreibung
Elektrische Maschine für einen Lenkantrieb
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Maschinen, insbesondere hybriderregte Gleichstrommaschinen zur Verwendung in Lenkantrieben für elektrisch unterstützte Lenkungen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung den Aufbau einer hybriderregten Gleichstrommaschine für die Lenkunterstützung.
Stand der Technik
Bei elektrisch unterstützten Lenkungen greift ein Elektromotor in die Lenkung ein, um die vom Fahrer ausgeübte Lenkkraft zu verstärken. Hierzu ist es üblich, den Lenkantrieb über ein Getriebe starr mit dem Lenkrad zu koppeln. Eine solche Anordnung hat jedoch den Nachteil, dass Drehmomentschwankungen des Lenkantriebs am Lenkrad spürbar sind, wodurch der Fahrkomfort beeinträchtigt werden kann.
Weiterhin muss es im Fehlerfall, in dem der Lenkantrieb ausfällt, dem Fahrer weiterhin möglich sein, das Fahrzeug zu lenken, auch ohne dass der Lenkantrieb die Lenkung unterstützt.
Aus diesen Gründen werden an elektrische Lenkantriebe für Lenksysteme in Kraftfahrzeugen sehr hohe Anforderungen bezüglich der zulässigen Drehmomentschwankungen des an der Lenkstange erzeugten Antriebsmoments gestellt. Die in herkömmlichen elektrischen Maschinen entstehenden Oberwellen und die daraus resultierenden Oberwellenmomente, die zu starken Schwankungen des Drehmoments führen, können durch geeignete Konstruktion der elektrischen Ma- schine reduziert werden. Insbesondere wird die Konstruktion so vorgesehen, dass die Oberwellen möglichst gering sind oder die Auswirkungen auf den Drehmomentverlauf reduziert sind.
Eine weitere wesentliche Anforderung an Lenkantriebe ist die Beherrschung von Störungen und Fehlern in der elektrischen Maschine des Lenkantriebs. Im Gegensatz zu elektrisch erregten Maschinen ist es bei permanentmagneterregten elektrischen Maschinen nicht möglich, das magnetische Feld abzuschalten. Dies kann im Fehlerfall, wie beispielsweise bei Kurzschlüssen in der Wicklung, zu erheblichen Bremsmomenten führen. Überschreiten die Bremsmomente im Fehlerfall bestimmte Grenzen, so kommt dies einem Blockieren der Lenkung gleich.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Maschine für einen Lenkantrieb zur Verfügung zu stellen, die eine geringe Ausfallwahrscheinlichkeit aufweist und bei der im Fehlerfall nur geringe Bremsmomente auftreten.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch die elektrische Maschine zum Einsatz in einem Lenksystem gemäß Anspruch 1 sowie durch den Antrieb gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt ist eine rotatorische elektrische Maschine, insbesondere eine hybriderregte Gleichstrommaschine, für einen Lenkantrieb zum Einsatz in einer Lenkunterstützung vorgesehen. Die elektrische Maschine um- fasst:
- einen Rotor mit einer Rotorwicklung mit Rotorspulen;
- einen Kommutator zum mechanischen Kommutieren der Rotorspulen der Rotorwicklung;
- einen Stator mit einem oder mehreren in axialer Richtung benachbarten Erregersystemen, die jeweils eine Anordnung von Statorpolen in Umfangsrichtung vorsehen, wobei die Statorpole mindestens eines der Erregersysteme einen oder mehrere Permanentmagnetpole und einen oder mehrere elektrisch erregbare Passivpole aufweisen. Eine Idee der obigen elektrischen Maschine besteht darin, die Vorteile einer mechanisch kommutierten Gleichstrommaschine mit einer Möglichkeit zur Feldschwächung des bei einer Gleichstrommaschine normalerweise nicht veränderbaren Statormagnetfelds zu kombinieren. Insbesondere kann bei der Gleichstrommaschine der Aufwand für die Ansteuerung im Vergleich zu elektronisch kommutierten elektrischen Maschinen deutlich reduziert werden. Weiterhin benötigt die obige elektrische Maschine keinen Lagesensor bzw. keine Lageerfassung für eine elektronische Kommutierung, da diese Funktion durch den mechanischen Kommutator übernommen wird.
Auch ist die Ansteuerung einfacher, da bei mechanisch kommutierten elektrischen Maschinen zum Einstellen des Drehmoments bzw. der Leistung lediglich eine so genannte H-Brücke erforderlich ist, die mit vier Halbleiterschaltern realisiert werden kann. Im Gegensatz dazu würde eine elektronisch kommutierte elektrische Maschine mit drei Phasen bereits sechs Halbleiterschalter benötigen.
Weiterhin ergeben sich Vorteile durch den Wegfall von Permanentmagneten im Stator. Eine permanentmagneterregte Gleichstrommaschine weist einen Drehzahlverlauf über dem Drehmoment auf, der der Kennlinie einer Nebenschlussmaschine entspricht. Der Kurvenverlauf entspricht einer Geraden und schneidet die beiden Achsen zum einen bei der Leerlaufdrehzahl und zum anderen beim Kurzschlussmoment. Bei Lenkantrieben wäre eine Kennlinie mit ausgeprägtem Feldschwächbereich wünschenswert, was jedoch bei permanentmagneterregten Gleichstrommaschinen nicht zu erreichen wäre, da dort die Kommutierung durch die feste Anordnung des Kommutators und der Permanentmagnete festgelegt ist. Die obige elektrische Maschine bietet eine Möglichkeit der Variation des Erregermagnetfelds durch Vorsehen von elektrisch erregbaren Passivpolen, so dass die Maschine in einem Feldschwächungsbetrieb betreibbar ist.
Ein weiterer Nachteil einer permanentmagneterregten Gleichstrommaschine be- steht in ihrem im Fehlerfall auftretenden Bremsmoment. Bei einem Klemmen- kurzschluss überschreitet das Bremsmoment von permanentmagneterregten mechanisch kommutierten Gleichstrommaschinen sehr rasch die Grenzen für das maximal zulässige Bremsmoment, da das Bremsmoment proportional zur Drehzahl der Gleichstrommaschine ist. Die obige elektrische Maschine reduziert das Bremsmoment im Fehlerfall, da nur ein Teil der Statorpole mit Permanentmagneten versehen ist.
Weiterhin können für in mindestens einem des einen oder der mehreren Erregersysteme jeweils zwei der Permanentmagnetpole einander gegenüberliegend und mit bezüglich einer Richtung zum Rotor zueinander entgegengesetzter Polung vorgesehen sein, wobei jeweils zwei Passivpole einander gegenüberliegend angeordnet sind.
Gemäß einer Ausführungsform können in mindestens einem der Erregersysteme mindestens einer der Permanentmagnetpole und einer der Passivpole einander gegenüberliegend angeordnet sein.
Es kann vorgesehen sein, dass mindestens in einem der Erregersysteme die Passivpole jeweils mit einer Erregerspule versehen sind, um diese elektrisch zu erregen.
In mindestens einem der Erregersysteme können mehrere Statorpole, die mindestens einen Passivpol enthalten, von einer Erregerspule umschlossen sein, um diese elektrisch zu erregen.
Zwischen zwei der Erregersysteme kann eine senkrecht zu einer Achsrichtung des Rotors angeordnete Erregerspule vorgesehen sein, die zwischen den Statorpolen der zwei Erregersysteme verläuft.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass in dem einem oder den mehreren Erregersysteme ein oder mehrere Folgepole vorgesehen sind, die nicht elektrisch erregbar sind.
Mindestens einer der Folgepole kann unmittelbar zwischen einem Permanentmagnetpol und einem Passivpol angeordnet sein. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Rotor sich im Wesentlichen über die axiale Länge von mehreren der Erregersysteme erstrecken, so dass die Rotorspulen über mehrere Erregersysteme verlaufen. Ferner können die Rotorspulen der Rotorwicklung in Reihe verschaltet sein. Dies hat den Vorteil, dass dadurch die an den verschiedenartigen Statorpolen unterschiedlichen induzierten Spannungen ausgeglichen werden können.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Antrieb vorgesehen. Der Antrieb umfasst: - die obige elektrische Maschine;
- eine Treiberschaltung zum Bereitstellen eines Rotorstroms zum Bestromen der Rotorwicklung;
- eine Erregerschaltung zum Bestromen einer Erregerwicklung zum elektrischen Erregen der Passivpole;
- eine Steuereinheit zum Ansteuern der Treiberschaltung, um einen gewünschten Rotorstrom bereitzustellen, und der Erregerschaltung, um einen gewünschten Erregerstrom bereitzustellen.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Antrieb vorgesehen, umfassend:
- die obige elektrische Maschine, wobei eine Erregerwicklung und eine über den Kommutator angeschlossene Rotorwicklung in Reihe geschaltet sind;
- eine Treiberschaltung zum Bereitstellen eines Stroms zum Bestromen der Reihenschaltung der Erregerwicklung und der Rotorwicklung;
- eine Steuereinheit zum Ansteuern der Treiberschaltung, um einen gewünsch- ten Strom durch die Erregerwicklung und die Rotorwicklung bereitzustellen.
Weiterhin kann eine Gleichrichterschaltung vorgesehen sein, um entweder den Strom durch die Rotorwicklung oder den Strom durch die Erregerwicklung gleichzurichten.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Figuren 1 a bis 1 c eine schematische Querschnittsdarstellung einer hybriderregten Gleichstrommaschine und eine Darstellung der Polung der Statorpole bei verschiedenen Erregungen; Figuren 2a bis 2c eine schematische Querschnittsdarstellung einer hybriderregten Gleichstrommaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform und eine Darstellung der Polung der Statorpole bei verschiedenen Erregungen; Figur 3 eine schematische Querschnittsdarstellung einer hybriderregten Gleichstrommaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform;
Figur 4 eine schematische Querschnittsdarstellung in axialer
Richtung einer hybriderregten Gleichstrommaschine mit axial nebeneinander angeordneten Erregersystemen;
Figuren 5a bis 5c eine schematische Querschnittsdarstellung in axialer
Richtung einer weiteren Ausführungsform einer hybrider- regten Gleichstrommaschine sowie Querschnittsdarstellungen entlang der Schnittlinien A-A und B-B;
Figur 6 eine schematische Darstellung eines Antriebssystems mit einer Gleichstrommaschine nach einer der Figuren 1 bis 5 gemäß einer weiteren Ausführungsform;
Figur 7 eine schematische Darstellung eines Antriebssystems mit einer Gleichstrommaschine nach einer der Figuren 1 bis 5 mit einer Ansteuerschaltung gemäß einer weiteren Aus- führungsform;
Figur 8 eine schematische Darstellung eines Antriebssystems mit einer Gleichstrommaschine nach einer der Figuren 1 bis 5 und mit einer Ansteuerschaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform; und Figur 9 eine schematische Darstellung eines Antriebssystems mit einer Gleichstrommaschine nach einer der Figuren 1 bis 5 und mit einer Ansteuerschaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform.
Beschreibung von Ausführungsformen
Figur 1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer hybriderregten Gleichstrommaschine 1 als elektrische Maschine für einen Lenkantrieb. Die Gleichstrommaschine 1 weist einen kreisförmigen Stator 2 auf, der mit Permanentmagnetpolen 3 und mit elektrisch erregbaren Passivpolen 4 versehen ist. Die Permanentmagnetpole 3 und die Passivpole 4 sind in Richtung einer Innenaus- nehmung 5 des Stators 2 ausgerichtet, in der ein Rotor 6 drehbeweglich angeordnet ist.
Der dargestellte Rotor 6 weist beispielhaft 16 Rotornuten auf, die mit einer entsprechenden Rotorwicklung mit Rotorspulen 10 versehen sind. Der Rotor 6 kann aber auch andere Nutzahlen aufweisen. Die Rotorspulen 10 der Rotorwicklung des Rotors 6 werden über einen mechanischen Kommutator 9, der axial (senk- recht zur Zeichenebene) zu dem Rotor 6 versetzt an einer Rotorwelle 7 angeordnet ist, abhängig von einer Lage des Rotors 6 bestromt.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt die Gesamtzahl der Statorpole sechs, d. h. vier Permanentmagnetpole 3 und zwei Passivpole 4, die um den Umfang des Stators 2 gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Die Permanentmagnetpole 3 liegen einander mit verschiedenen Magnetpolaritäten der Permanentmagneten (bezüglich der radialen Richtung nach innen) gegenüber. Die Passivpole 4 des Stators 2 liegen einander ebenfalls gegenüber und sind jeweils mit einer Erregerspule 8 einer Erregerwicklung versehen, um zusätzlich zu dem von den Perma- nentmagneten 3 bewirkten magnetischen Fluss ein magnetisches Feld in den
Stator 2 einzuprägen.
Die Erregerspulen 8 der Erregerwicklung können so an den Passivpolen 4 angeordnet sein, dass bei gemeinsamer Bestromung der Erregerspulen 8 die Passiv- pole 4 bezüglich der radialen Richtung nach innen unterschiedliche Polungen aufweisen. Wie in Figur 1 b dargestellt, können abhängig von der Richtung eines in die Erregerwicklung 8 eingeprägten Erregerstroms die Passivpole 4 so gepolt sein, dass sie eine zu den in Umfangsrichtung benachbarten Permanentmagnetpolen 3 verschiedene Polarität aufweisen. So können die Statorpole des Stators 2 in Umfangsrichtung wechselnde Polaritäten aufweisen. Dieser Zustand wird positive Erregung genannt.
Bei einem reduzierten Erregerstrom durch die Erregerspulen 8 wird das Magnetfeld in den elektrisch erregten Statorpolen 4 schwächer. Wird, wie in Figur 1 c dargestellt, die Richtung des in die Erregerwicklung 8 eingeprägten Erregerstroms umgekehrt, können die Passivpole 4 so gepolt sein, dass sie die gleiche Polarität wie ihre in Umfangsrichtung benachbarten Permanentmagnetpole 3 aufweisen. Dieser Zustand wird negative Erregung genannt.
Die induzierte Spannung in der Rotorwicklung ist somit unter den verschiedenen Statorpolen unterschiedlich. Um einen ordentlichen Betrieb dieser Maschine sicherzustellen, ist es daher sinnvoll, die Rotorwicklung in Form einer Wellenwicklung auszubilden, wobei die Rotorspulen 10 der Rotorwicklung als eine Wellenwicklung, d. h. in Form einer Reihenschaltung, miteinander verschaltet sind.
Die Ausführungsform der Figur 2a zeigt einen vierpoligen Stator mit einem Permanentmagnetpol 3, einem elektrisch über eine Erregerspule 8 erregbaren Passivpol 4 und zwei Folgepolen 12. Der Rotor 6 entspricht im wesentlichen dem bekannten Aufbau des Rotors 6 der Ausführungsform der Figur 1 a. Die Rotorwicklung ist jedoch in Fig. 1 als 6-polige Rotorwicklung und in Fig. 2a als 4-polige Rotorwicklung ausgeführt. Der elektrisch erregte Passivpol 4 liegt dem Permanentmagnetpol 3 gegenüber. Wird, wie in Figur 2c gezeigt, der elektrisch erregbare Passivpol 4 so erregt, dass bezüglich einer radialen Richtung nach innen eine gleiche Polung wie die des gegenüberliegenden Permanentmagnetpols 3 erreicht wird, so bilden die Folgepole 12 eine entsprechende dazu entgegengesetzte Polung aus, um den magnetischen Fluss des elektrisch erregten Statorpols 4 und des Permanentmagnetpols 3 zu schließen.
Allgemein kann entsprechend der Ausführungsform der Figur 2a vorgesehen sein, Permanentmagnetpole 3 und elektrisch erregbare Passivpole 4 einander gegenüberliegend anzuordnen und weitere Statorpole als nicht erregbare Folgepole 12 auszubilden. Insbesondere kann vorgesehen sein, die zu dem elektrisch erregten Passivpol 4 und/oder dem Permanentmagnetpol 3 benachbarten Statorpole als Folgepole 12 auszubilden. Da die die induzierten Spannungen in den Rotorspulen 10 unter den verschiedenen Statorpolen 3, 4, 12 unterschiedlich sein können, ist es auch bei dieser Ausführungsform sinnvoll, die Rotorspulen 10 der Rotorwicklung in Reihenschaltung, d. h. als Wellenwicklung, vorzusehen, so dass sich die in den einzelnen Rotorspulen 10 induzierten Spannungen addieren.
Die Ausführungsform der Figur 2a ermöglicht es auch, den elektrisch erregten Statorpol 4 bezüglich der radialen Richtung nach innen entgegengesetzt zu der Polung des Permanentmagnetpols 3 zu erregen, wie es in Figur 2c gezeigt ist.
Dies führt dazu, dass die Folgepole 12 nicht als magnetisch wirksame Statorpole ausgebildet werden, da der magnetische Rückschluss des Permanentmagnetpols 3 über den elektrisch erregbaren Passivpol 4 erfolgt und umgekehrt. Effektiv wirkt der so bestromte Stator 2 als zweipoliger Stator, da die Folgepole 12 kein nennenswertes magnetisches Feld abgeben. (Fig. 2b)
In der Ausführungsform, die in Figur 3 dargestellt ist, weist der Stator 2 Permanentmagnetpole 3 und elektrisch erregbare Passivpole 4 auf. Die Permanentmagnetpole 3 weisen eine bezüglich der radialen Richtung nach innen entge- gengesetzte Polung auf. Die Erregerspulen 8 sind so ausgebildet, dass sie mehrere Statorpole umschließen, einschließlich eines Permanentmagnetpols 3. In einem sechspoligen Stator 2 der Figur 3 umschließt eine Erregerspule 13 jeweils drei Statorpole: zwei elektrisch erregbare Passivpole 4 und einen dazwischen angeordneten Permanentmagnetpol 3.
Die Anordnung mit mehrere Statorpole umschließenden Erregerspulen 13 weist einen Vorteil bei höherpoligen Anordnungen auf, da hierbei die Anzahl der Erregerspulen 8 gering gehalten werden kann. In Figur 4 wird eine hybriderregte Gleichstrommaschine gemäß einer weiteren
Ausführungsform in einem Querschnitt in axialer Richtung dargestellt. Bei dieser Ausführungsform sind zwei Erregersysteme axial voneinander getrennt angeordnet. Ein erstes Erregersystem E1 weist ausschließlich elektrisch erregbare Passivpole 4 bzw. bei einer Folgepolanordnung im Wechsel mit dazwischen ange- ordneten Folgepolen 12 auf, während ein zweites Erregersystem E2 lediglich Permanentmagnetpole 3 bzw. bei einer Folgepolanordnung im Wechsel mit dazwischen angeordneten Folgepolen 12 aufweist.
In den Figuren 5a bis 5c kann eine Gleichstrommaschine 1 mit zwei Erregersys- temen E1 , E2 auch mit einer konzentrisch um die Maschinenachse angeordneten umlaufende Erregerspule 13 vorgesehen sein. Die umlaufende Erregerspule 13 liegt zwischen den Statorpolen der Erregersysteme E1 , E2. In diesem Fall wird jedes Erregersystem E1 , E2 sowohl mit elektrisch erregbaren Passivpolen 4 als auch mit Permanentmagnetpolen 3 ausgebildet, die im Wechsel in Umfangsrich- tung angeordnet sind. Durch diese Anordnung kann man im Gegensatz zu den vorgehenden Beispielen eine Maschine mit einem ausgeprägten axialen Feldanteil erhalten. Maschinen mit einem derartigen axialen Feldanteil, bzw. einem sogenannten Homopolarfeld, werden daher auch als Homopolarmaschinen bezeichnet.
Gemäß der dargestellten Ausführungsform ist dann in axialer Richtung zu einem Permanentmagnetpol 3 ein elektrisch erregbarer Passivpol 4 benachbart, wie es in der Darstellung Figur 5 im Längsschnitt dargestellt ist. Durch die konzentrische Anordnung der umlaufenden Erregerspule 13 wird eine sehr geringe Windungs- länge erreicht, so dass der ohmsche Widerstand der umlaufenden Erregerspule 13 und dadurch der Leistungsbedarf für die Magnetfelderregung reduziert wird. Bei positiver Erregung durch die umlaufende Erregerspule 13 nehmen die elektrisch erregbaren Passivpole 4 der Erregersysteme E1 ,E2 eine jeweils entgegengesetzte Polung zu den Permanentmagnetpolen 3 des jeweiligen Erregersys- tems E1 , E2 an. Bei negativer Erregung werden die Passivpole 4 mit der gleichen Polung wie die der Permanentmagnetpole 3 des jeweiligen Erregersystems E1 , E2 versehen und dadurch die Erregung, bzw. das nutzbare Magnetfeld, abgeschwächt. Die Rotorspulen 10 des Rotors 6 der in den Figuren 5a bis 5c dargestellten Ausführungsformen erstrecken sich im Wesentlichen über die gesamte axiale Länge beider Erregersysteme E1 , E2 und somit liegt jede Rotorspule zu einem bestimmten Zeitpunkt sowohl unter einem Permanentmagnetpol 3 eines der Erregersysteme und unter einem elektrisch erregbaren Passivpol 4 des entsprechend anderen Erregersystems. Die induzierte Spannung ergibt sich aus der Summe der beiden Polinduktionen. Bei diesem Aufbau der Maschine ist somit auch eine Schleifenwicklung möglich, bei der verschiedene Rotorspulen 10 parallel geschaltet werden. Durch die faktische axiale Reihenschaltung der durch den elektrisch erregbaren Passivpol 4 und durch den Permanentmagnetpol 3 induzierten Spannung sind diese in den verschiedenen Rotorspulen 10 identisch.
Bei den oben beschriebenen hybriderregten Gleichstrommaschinen muss zum Erreichen der elektrischen Erregung die entsprechende Erregerspule mit elektrischer Energie versorgt werden. Während bei einer permanentmagneterregten Gleichstrommaschine zur Momentregelung eine Stromregelung für den über den mechanischen Kommutator fließenden Rotorstrom ausreichend ist, ist es bei einer hybriderregten Gleichstrommaschine notwendig, eine zusätzliche Beschal- tung der Erregerwicklung vorzusehen.
In Figur 6 ist ein möglicher Lenkantrieb mit einer hybriderregten Gleichstromma- schine 1 und einer Ansteuerschaltung 20 als Treiberschaltung dargestellt. Die
Ansteuerschaltung 20 zum Einstellen des Rotorstroms, der über den Kommutator 9 in die Gleichstrommaschine 1 eingeprägt wird, erfolgt in bekannter Weise durch eine H-Schaltung. Die H-Schaltung umfasst zwei Serienschaltungen von Halbleiterschaltern 21 mit zu jedem Halbleiterschalter 21 parallel geschalteter Freilaufdiode 24. Die Serienschaltungen werden durch das Versorgungsspan- nungspotential versorgt und weisen jeweils einen Knoten zwischen den beiden Halbleiterschaltern 21 auf, der jeweils mit einem Bürstenanschluss des Kommutators 9 der Gleichstrommaschine 1 verbunden ist. Durch geeignete Ansteuerung der Halbleiterschalter 21 , z. B. über eine Steuereinheit 30, kann der Strom zum Betreiben der Gleichstrommaschine 1 eingestellt werden. Häufig werden die Halbleiterschalter 21 so angesteuert, dass sich eine pulsweitenmodulierte Spannung an den Bürsten des Kommutators 9 der Gleichstrommaschine 1 ergibt. Die Erregerwicklung 8 wird hierbei über einen einfachen weiteren Halbleiterschalter 22 angesteuert. Dazu ist die Erregerwicklung 8 in Serie mit dem weiteren Halbleiterschalter 22 an Versorgungsspannungsleitungen angeschlossen. Die Bestromung der Erregerwicklung 8 kann ebenfalls über eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung des weiteren Halbleiterschalters 22 erfolgen. Parallel zur Erregerwicklung 8 ist weiterhin eine Freilaufdiode 23 vorgesehen, die im Normalbetrieb in Sperrrichtung vorgesehen ist und dazu dient, beim Abschal- ten der Spannungsversorgung an der Erregerwicklung 8 auftretende Freilaufströme zu leiten.
Anstelle einer pulsweitenmodulierten Ansteuerung kann die Spannung auch entsprechend einer Toleranzbandregelung getaktet werden.
Sind zum Ansteuern der Erregerwicklung 8 verschiedenen Stromrichtungen erforderlich, so ist es, wie in Figur 7 dargestellt, notwendig, die Erregerwicklung 8 ebenfalls mit einer H-Brückenschaltung anzusteuern, die es durch pulsweiten- modulierte Ansteuerung der entsprechenden Halbleiterschalter 21 der H- Brückenschaltung ermöglicht, Erregerströme in positiver und negativer Richtung in die Erregerwicklung 8 einzuprägen.
Eine solche Ansteuerschaltung 20 ist jedoch aufwändig und es kann alternativ vorgesehen sein, die Erregerwicklung 8 mit dem Kommutator 9, d. h. den Rotorspulen 10, seriell zu verschalten, wie es in der Ausführungsform der Figur 8 dargestellt ist. Dabei werden der Motorstrom und der Erregerstrom durch die Erregerwicklung 8 jeweils gleichzeitig variiert. Somit passt sich der Erregerstrom immer automatisch an das geforderte Drehmoment an. Jedoch kann bei einer solchen Schaltung nur eine Drehrichtung der Gleichstrommaschine 1 erreicht werden, da eine Änderung der Stromrichtung sowohl den Motorstrom als auch den Erregerstrom umkehrt. Somit stellt sich bei der Gleichstrommaschine 1 der Figur 9 kein negatives Moment ein.
Um diesen Nachteil zu vermeiden, können, wie es in Fig. 9 dargestellt ist, entweder die über den Kommutator 9 angeschlossenen Rotorspulen 10 oder die Erregerwicklung 8 über einen Gleichrichter 25 miteinander verbunden sein, so dass entweder die Bestromung der Rotorspulen 10 oder die Bestromung der Erregerwicklung 8 unabhängig von dem angelegten Strom immer gleichgerichtet ist. Bei unterschiedlichen Stromrichtungen kann durch Umkehren des Motorstroms ein Umkehren der Drehrichtung erreicht werden.

Claims

Ansprüche
1 . Rotatorische elektrische Maschine (1 ), insbesondere eine hybriderregte Gleichstrommaschine, für einen Lenkantrieb zum Einsatz in einer Lenkunterstützung, umfassend:
- einen Rotor (6) mit einer Rotorwicklung mit Rotorspulen (10);
- einen Kommutator (9) zum mechanischen Kommutieren der Rotorspulen (10) der Rotorwicklung;
- einen Stator (2) mit einem Erregersystem oder mehreren in axialer Richtung benachbarten Erregersystemen (E1 , E2), die jeweils eine Anordnung von Statorpolen (3, 4) in Umfangsrichtung vorsehen,
wobei die Statorpole mindestens eines der Erregersysteme (E1 , E2) einen oder mehrere Permanentmagnetpole (3) und einen oder mehrere elektrisch erregbare Passivpole (4) aufweisen.
2. Elektrische Maschine (1 ) nach Anspruch 1 , wobei für jedes Erregersystem (E1 , E2) jeweils zwei der Permanentmagnetpole (3) einander gegenüberliegend und mit bezüglich einer Richtung zum Rotor (6) zueinander entgegengesetzter Polung vorgesehen sind und wobei jeweils zwei Passivpole (4) einander gegenüberliegend angeordnet sind.
3. Elektrische Maschine (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, wobei für jedes Erregersystem (E1 , E2) mindestens einer der Permanentmagnetpole (3) und einer der Passivpole (4) einander gegenüberliegend angeordnet sind.
4. Elektrische Maschine (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei für mindestens eines der Erregersysteme (E1 , E2) die Passivpole (4) jeweils mit einer Erregerspule (8) versehen sind, um diese elektrisch zu erregen.
5. Elektrische Maschine (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei für mindestens eines der Erregersysteme (E1 , E2) mehrere Statorpole (3, 4), die mindestens einen Passivpol (4) enthalten, von einer Erregerspule (8) umschlossen sind, um diese elektrisch zu erregen.
6. Elektrische Maschine(1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei zwischen zwei der Erregersysteme (E1 , E2) eine senkrecht zu einer Achsrichtung des Rotors (6) angeordnete umlaufende Erregerspule (13) vorgesehen ist, die zwischen den Statorpolen (3, 4) der zwei Erregersysteme (E1 , E2) verläuft.
7. Elektrische Maschine (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei in einem oder mehreren der Erregersysteme (E1 , E2) ein oder mehrere Folgepole (12) vorgesehen sind, die nicht elektrisch erregbar sind.
8. Elektrische Maschine (1 ) nach Anspruch 7, wobei mindestens einer der Folgepole (12) unmittelbar zwischen einem Permanentmagnetpol (3) und einem Passivpol (4) angeordnet ist.
9. Elektrische Maschine (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Rotor
(6) sich im Wesentlichen über die axiale Länge der Erregersysteme (E1 , E2) erstreckt, so dass die Rotorspulen (10) über mehrere Erregersysteme (E1 , E2) verlaufen.
10. Elektrische Maschine (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Rotorspulen (10) der Rotorwicklung in Reihe verschaltet sind.
1 1 . Antrieb, umfassend:
- eine elektrische Maschine (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche; - eine Treiberschaltung (20) zum Bereitstellen eines Rotorstroms zum
Bestromen der Rotorwicklung;
- eine Erregerschaltung zum Bestromen einer Erregerwicklung (8) zum elektrischen Erregen der Passivpole (4);
- eine Steuereinheit (30) zum Ansteuern der Treiberschaltung (20), um ei- nen gewünschten Rotorstrom bereitzustellen, und der Erregerschaltung, um einen gewünschten Erregerstrom bereitzustellen.
12. Antrieb, umfassend:
- eine elektrische Maschine (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Erregerwicklung (8) und eine über den Kommutator angeschlossene Rotorwicklung in Reihe geschaltet sind;
- eine Treiberschaltung zum Bereitstellen eines Stroms zum Bestromen der Reihenschaltung der Erregerwicklung (8) und der Rotorwicklung; - eine Steuereinheit (30) zum Ansteuern der Treiberschaltung (20), um einen gewünschten Strom durch die Erregerwicklung (8) und die Rotorwicklung bereitzustellen.
Antrieb nach Anspruch 12, wobei eine Gleichrichterschaltung (25) vorgesehen ist, um entweder den Strom durch die Rotorspulen (10) der Rotorwicklung oder den Strom durch die Erregerwicklung (8) gleichzurichten.
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