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Dokumentenidentifikation DE102004030326B4 26.04.2007
Titel Elektronisch kommutierter Motor
Anmelder FESTO AG & Co., 73734 Esslingen, DE
Erfinder Neumann, Rüdiger, Dr.-Ing., 73760 Ostfildern, DE;
Hartmann, Armin, 73760 Ostfildern, DE
Vertreter Patentanwälte Magenbauer & Kollegen, 73730 Esslingen
DE-Anmeldedatum 23.06.2004
DE-Aktenzeichen 102004030326
Offenlegungstag 02.02.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 26.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.04.2007
IPC-Hauptklasse H02P 6/08(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H02K 29/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen elektronisch kommutierten Motor mit mindestens zwei Erregersträngen und einem Läufer, der abhängig von einer Bestromung der Erregerstränge durch eine Bestromungseinrichtung antreibbar ist, wobei die mindestens zwei Erregerstränge voneinander unabhängig bestrombar sind und an den mindestens zwei Erregersträngen voneinander unabhängige Spannungen anlegbar sind, eine Bestromungseinrichtung für einen derartigen Motor sowie ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Motors.

Elektronisch kommutierte Motoren sind allgemein bekannt. Sie sind beispielsweise als Rotations- oder Linearmotoren ausgeführt. Der Läufer, beispielsweise ein Permanentmagnet, wird durch das rotatorisch bzw. sich linear bewegende Erregermagnetfeld angetrieben, das durch entsprechende Bestromung der Erregerstränge gebildet wird.

Das US-Patent 5,656,903 A betrifft einen Master-Slave Hybridantrieb, mit einem elektrischen Antrieb und einem fluidtechnischen Antrieb mit einer auf die abzugebende Kraft bezogenen Regelung.

Das US-Patent 4,628,499 betrifft einen fluidtechnischen Antrieb.

Üblicherweise werden die Erregerstränge mittels Stromblöcken oder sinusförmiger Stromverläufe bestromt, die entsprechend der Anzahl der Erregerstränge zueinander phasenversetzt sind, wie z.B. in der US 2002/1040391 A1 beschrieben.

Bei Blockkommutierung erreicht man verhältnismäßig hohe Spitzenkräfte, allerdings mit einer gegenüber Sinuskommutierung höheren Kraftwelligkeit und Leistungswelligkeit. Zudem ist der Wirkungsgrad bei der Blockkommutierung geringer, was zu einer stärkeren Erwärmung des Motors führt.

Die Möglichkeiten, einen elektronisch kommutierten Motor zu bestromen, sind allerdings beschränkt. Die Erregerstränge sind nämlich üblicherweise in Sternschaltung oder Dreieckschaltung geschaltet. Bei dieser Schaltung sind die Stränge so zu bestromen, dass die Summe der Ströme null ist. Die europäische Patentanmeldung EP 1 107 455 A1 betrifft z.B. einen Motor, dessen Erregerspulen sternförmig miteinander verschaltet sind. Zur Bestromung der Erregerspulen dieses Motors sind elektronische Schaltungen vorhanden. Die Erregerspulen sind sternförmig verschaltet und können nicht individuell bestromt werden.

Die WO 2004/001949 A1 offenbart einen Motor der eingangs genannten Art. Aus der WO 2004/001949 A1 geht eine unabhängige Bestromung verschiedener Erregerstränge mit verschiedenartigen Stromverläufen hervor. Es werden konventionelle Bestromungsmethoden, beispielsweise sinusförmige Ströme, rechteckförmige oder trapezförmige Ströme vorgeschlagen.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem elektronisch kommutierten Motor der eingangs genannten Art die elektrischen Eigenschaften zu verbessern. Es ist ferner die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine entsprechende Bestromungseinrichtung sowie ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen.

Zur Lösung der Aufgabe sind ein Motor, eine Bestromungseinrichtung und ein Verfahren gemäß der technischen Lehren der Ansprüche 1, 17 und 21 vorgesehen.

Bei dem Motor ist es nicht mehr erforderlich, dass die Summe der Ströme und/oder die Summe der Spannungen null ist. Dementsprechend kann der Motor in flexibler, optimierter Form bestromt werden. Die Bestromungseinrichtung ist zu einer derartigen Bestromung ausgestaltet, das heißt, sie enthält Mittel, um die Erregerstränge flexibel zu bestromen. Bei diesen Mitteln handelt es sich beispielsweise jeweils um eine Vollbrücke, die einem Erregerstrang zugeordnet ist. Die Bestromungseinrichtung kann jedoch auch eine Steuerungseinrichtung zur Ansteuerung einer leistungselektronischen Baueinheit sein, wobei die Bestromungseinrichtung ganz oder teilweise aus Software besteht und die entsprechende Leistungselektronik zur flexiblen Bestromung eines erfindungsgemäßen elektronisch kommutierten Motors ansteuert.

Der Motor ist beispielsweise ein Rotationsmotor oder ein Linearmotor. Erfindungsgemäß kann er beispielsweise zur Abgabe maximaler Leistung, maximaler Kraft oder dergleichen bestromt werden. Es ist auch möglich, beispielsweise die Kraftwelligkeit und Leistungswelligkeit möglichst gering zu halten oder beispielsweise einen optimalen Kompromiss zwischen Kraftwelligkeit und Maximalkraft zu erzielen.

Es ist eine amplituden-begrenzte sinusförmige, vorliegend als "sinuid" bezeichnete, Bestromung der zwei oder mehr Erregerstränge vorgesehen. Die Ströme steigen sinusförmig bis zu einem oberen Grenzwert an bzw. fallen bis zu einem unteren Grenzwert ab und behalten diesen oberen bzw. unteren Grenzwert im Wesentlichen konstant bei, bis die entsprechende Sinusfunktion den oberen bzw. unteren Grenzwert unter- bzw. überschreitet. Die sinusförmigen Stromverläufe sind sozusagen auf die Maximalwerte gekappt bzw. sind abgeplattet. Der obere und der untere Grenzwert sind zweckmäßigerweise einstellbar. Vorzugsweise weisen der obere und der untere Grenzwert im Wesentlichen denselben Betrag auf. Vergleicht man eine Blockkommutierung und eine sinuide Kommutierung bei gleicher Maximalkraft, ist die Kraftwelligkeit der sinuiden Kommutierung geringer und der Wirkungsgrad deutlich höher als bei der Blockkommutierung. Wenn man die sinuide Kommutierung auf denselben Wirkungsgrad einstellt wie eine vergleichbare Blockkommutierung, ist die abgegebene Maximalkraft deutlich höher, die Kraftwelligkeit deutlich geringer als bei der entsprechenden Blockkommutierung.

Die sinusförmigen Stromverläufe der sinuiden Kommutierung sind zweckmäßigerweise mit einem Verstärkungsfaktor beaufschlagbar. Somit ist die Flankensteilheit der sinuiden Stromverläufe einstellbar, was sich beispielsweise auf die maximal abgegebene Kraft und die Leistung des Motors auswirkt. Der Verstärkungsfaktor ist zweckmäßigerweise in Abhängigkeit von einem oder mehreren Faktoren verstellbar, beispielsweise der durch den Motor zu erbringenden Leistung, der Welligkeit einer Kraftabgabe bzw. Drehmomentabgabe des Motors, von der Kraftabgabe bzw. Drehmomentabgabe des Motors, insbesondere der maximalen oder durchschnittlichen Kraft- oder Drehmomentabgabe, oder auch von einem gewünschten Wirkungsgrad des Motors.

Die US 4,240,020 A zeigt zwar eine Begrenzung sinusförmiger Stromverläufe auf einen oberen und einen unteren Grenzwert. Dies dient aber dazu, dass Leistungshalbleiter, z.B. Thyristoren, nicht überhitzt werden, weil sich die Ströme auf diesen Thyristor konzentrieren könnten. Dann greift die Strombegrenzung ein und begrenzt das Signal auf einen oberen und einen unteren Grenzwert.

Die Bestromungseinrichtung des erfindungsgemäßen Motor weist zweckmäßigerweise Mittel zur Einstellung trapezförmiger Stromverläufe an den mindestens zwei Erregersträngen auf. Dabei sind vorzugsweise die Höhe und/oder die Flankensteilheit und/oder die Länge der trapezförmigen Stromverläufe einstellbar. Gegenüber einer blockförmigen Bestromung nimmt die Welligkeit der Kraft ab und der Wirkungsgrad zu. Zudem ist die Maximalkraft gegenüber der Blockkommutierung höher.

Besonders bevorzugt ist eine Umschaltung zwischen sinusförmigen und sinuiden Stromverläufen. Der Begriff Umschalten beinhaltet dabei selbstverständlich auch ein kontinuierliches Verändern der Stromverläufe. Die sinusförmigen Stromverläufe werden beispielsweise mit einem variablen Verstärkungsfaktor beaufschlagt. Mit ansteigendem Verstärkungsfaktor steigt der Betrag der Maximalwerte des sinusförmigen Stromverlaufes an, bis er den Maximalwert erreicht bzw. übersteigt. Dann stellt die erfindungsgemäße Bestromungseinrichtung sinuide Stromverläufe ein, bei denen die sinusförmigen Stromverläufe bis zum Erreichen des oberen bzw. unteren Maximalwerts ansteigen oder abfallen, dann den jeweiligen Maximalwert beibehalten, bis der Sinusverlauf ein Unter- bzw. Überschreiten des oberen bzw. unteren Maximalwerts vorgibt.

Zweckmäßigerweise ist die Bestromungseinrichtung zum Umschalten zwischen sinusförmigen, sinuiden und trapezförmigen Stromverläufen in Abhängigkeit von mindestens einem Kriterium ausgestaltet. Dieses Kriterium ist beispielsweise die vom Motor bereitzustellende Maximalkraft bzw. bei Drehantrieben die vom Motor bereitzustellende Drehmomentabgabe. Das Kriterium kann aber auch andere Parameter umfassen, beispielsweise das Verhältnis zwischen der Leistung und der Kraftabgabe des Motors, das man auch als Kommutierungsfaktor (KM-Faktor) bezeichnet.

Die erfindungsgemäße Bestromungseinrichtung ist zur Bestromung der zwei oder mehr Erregerstränge mit gleichmäßigen Phasenversätzen ausgestaltet, wobei die Phasenversätze durch die Anzahl der Erregerstränge bestimmt sind, wobei beispielsweise bei einem dreiphasigen System die Phasenversätze 120° sind.

Die Bestromungseinrichtung und der Motor bilden zweckmäßigerweise eine Baueinheit.

Besonders bevorzugt ist eine Variante des Motors, bei der dieser sowohl elektrisch als auch fluidtechnisch, beispielsweise pneumatisch, antreibbar ist. Ein solcher Motor wird auch als Hybridantrieb bezeichnet. Bei diesem Motor sind der Läufer und ein fluidtechnisch antreibbarer Kolben miteinander bewegungsgekoppelt, wobei vorzugsweise der Läufer einen Kolben des fluidtechnischen Antriebs bildet. Die Antriebskomponente, die der elektronisch kommutierte Motor bildet, bietet eine hervorragende Dynamik, das heißt beispielsweise eine schnell ansteigende Kraftabgabe. Der fluidtechnische Antriebsteil hingegen ist zwar weniger dynamisch in der Kraftabgabe. Sein großer Vorteil ist jedoch, dass er sich auch im Dauerbetrieb vergleichsweise wenig erwärmt, und beispielsweise statische Haltekräfte oder konstante Antriebskräfte bereitstellt.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

1 einen erfindungsgemäßen elektronisch kommutierten Motor mit einer erfindungsgemäßen Bestromungseinrichtung,

2 eine Kommutierungseinrichtung der Bestromungseinrichtung gemäß 1,

3 eine Näherungsfunktion, die einen Zusammenhang zwischen einem Kommutierungsfaktor und einem Sinusfaktor darstellt,

4 einen Stromverlauf an einem Erregerstrang des Motors gemäß 1 sowie ein resultierender Kraftverlauf und Leistungsverlauf bei drei Erregersträngen bei Blockkommutierung,

5 4 entsprechende Verläufe bei trapezförmig verlaufendem Strom an einer Erregerspule,

6 entsprechende Verläufe gemäß den 4 und 5 bei sinusförmiger Kommutierung,

7, 8, 9 Verläufe eines Stroms an einer Erregerspule, einer Leistung sowie einer resultierenden Kraft aus drei Erregersträngen bei dem Motor gemäß 1 bei einer sinuiden Kommutierung,

10 ein Diagramm zur Darstellung von unterschiedlichen Wirkungsgraden bei Kommutierungsarten gemäß 4 bis 9 und

11 ein Diagramm zur Darstellung von Kraftwelligkeit in Abhängigkeit von den Kommutierungsarten gemäß 4 bis 9.

Eine Motoranordnung 10 enthält einen Hybridantrieb 11 mit einem elektronisch kommutierten Motor 12 sowie einem Fluid-Antrieb 13. Der Motor 12 und der Antrieb 13 sind vorliegend Linearantriebe, wobei prinzipiell auch Drehantriebe möglich sind. Ein Läufer 14 des Motors 12 sowie ein Antriebskolben 15 des Fluid-Antriebs 13, beispielsweise eines pneumatischen Linear-Antriebs, sind mittels einer Kopplungseinrichtung 16, zum Beispiel einem Verbindungsstück, miteinander bewegungsgekoppelt, das heißt, wenn der Läufer 14 angetrieben wird, nimmt er den Antriebskolben 15 mit und umgekehrt. Die Kopplungseinrichtung 16 kann als Kraftabgriff dienen. Der Läufer 14 sowie der Antriebskolben 15 sind in Gehäusen 17, 18 des Motors 12 und des Antriebs 13 in einer Längsrichtung 19 hin und her beweglich.

Der Antriebskolben 15 unterteilt einen Aufnahmeraum 20 im Innern des Gehäuses 18 in Kammern 21, 22. Eine Steuerventilan-Ordnung 24 beaufschlagt die Kammern 21, 22 mit Fluid aus einer Fluidquelle, beispielsweise mit Druckluft aus einer Druckluftquelle 23, und entlüftet die jeweils andere Kammer 21, 22 über Leitungen 25, 26. Bei Druckluftbeaufschlagung der Kammer 22 und gleichzeitiger Entlüftung der Kammer 21 bewegt sich der Kolben 15 in der Zeichnung beispielsweise nach links, bei Druckluftbeaufschlagung der Kammer 21 und gleichzeitiger Entlüftung der Kammer 22 nach rechts.

Der Läufer 14, der beispielsweise als ein Permanentmagnet ausgestaltet ist oder eine Permanentmagnetanordnung aufweist, wird durch Bestromung einer in Längsrichtung 19 angeordneten, in der Zeichnung jedoch schematisiert dargestellten Erregerspulenanordnung 27 angetrieben. Die Erregerspulenanordnung 27, die beispielsweise ein dreiphasiges Erregerspulensystem aufweist, ist in der Figur schematisch dargestellt und enthält Erregerstränge 28-30 mit Erregerspulen 28'-30', die durch voneinander unabhängige Strang-Ströme 31-33 bestrombar sind, wobei eine Bestromungseinrichtung 34 beispielsweise Erregungsspannungen 35-37 an die Erregerstränge 28-30 anlegt. Die Ströme 31-33 erzeugen ein magnetisches Wanderfeld zum Antreiben des Läufers 14 in Längsrichtung 19. Elektrische Vollbrückenschaltungen 38, 39, 40 erzeugen aus einem elektrischen Zwischenkreis 41, den eine Zwischenkreiserzeugungseinrichtung, beispielsweise eine Gleichrichteranordnung oder dergleichen, erzeugt, die Spannungen 35-37 bzw. Ströme 31-33. Die Spannungen 35-37 betragen beispielsweise 48 Volt.

Eine Steuerungsvorrichtung 43 steuert den Hybridantrieb 11, zu einer synchronen Positionierung des Antriebskolbens 15 bzw. des Läufers 14, beispielsweise über eine Leitung 44 die Steuerventilanordnung 24 sowie eine Verbindung 45 die Bestromungseinrichtung 34. Die Steuerungsvorrichtung 43 enthält beispielsweise einen Prozessor, Speichermittel sowie Programmcode von Programmmodulen, die die Steuerungsfunktionen verkörpern. Die Steuerungsvorrichtung 43 erhält von einer Zentralsteuerung 46 Befehle zur Positionierung des Läufers 14 und des Antriebskolbens 15 und meldet dieser Zentralsteuerung beispielsweise die jeweilige Position des Läufers 14 und des Antriebskolbens 15.

Die voneinander unabhängige Bestromung der Erregerstränge 28-30 mit Strang-Strömen 31-33 ermöglicht zahlreiche Optimierungen im Hinblick auf beispielsweise eine maximal erzielbare Kraft, eine maximal erzielbare Leistung, eine Kraftwelligkeit, einen Wirkungsgrad des Motors 12 oder dergleichen.

Die Bestromungseinrichtung 34 bestromt die Erregerspulenan-Ordnung 27 beispielsweise mit blockförmigen Strömen 31-33, die aufgrund des dreiphasigen Erregersystems 27 beispielsweise einen Phasenversatz von 120° aufweisen. In den 4 bis 9 sind beispielsweise Stromverläufe 47-52 des Stroms 31 dargestellt, wobei die Ströme 32 und 33 entsprechende, um jeweils 120° bzw. 240° eines elektrischen Winkels versetzte Verläufe aufweisen. In den 4 bis 6 ist eine Gradeinteilung von 0° bis 360° mit 0, x1, x2, x3, x4, x5 und x6 bezeichnet, die beispielsweise für 0°, 60°, 120°, 180°, 240°, 300° und 360° eines elektrischen Winkels stehen.

Die Kraft des elektronisch kommutierten Motors 12 errechnet sich gemäß folgender Formel (1): F = KM·KF·ISTR(1)

Bei Formel (1) ist F die Kraft des Antriebs 12, KM die Motorverstärkung des Antriebs 12 und KF der Kommutierungsfaktor des Antriebs 12, das heißt ein Verhältnis zwischen der Leistung und der erzielbaren Kraft des Antriebs 12 in Abhängigkeit von der Kommutierungsart, und ISTR die jeweiligen Strangströme 31, 32, 33, die zweckmäßigerweise gleich sind. Bei Sinuskommutierung (siehe 6) ist der KM-Faktor KF beispielsweise KF = 1,5, bei Blockkommutierung (siehe 4) ist KF = 1,654.

Die erzielbare Leistung des Motors 12 errechnet sich dann in Abhängigkeit von der nachfolgenden Formel (2): P = (I12·I22·I32)·R(2)

Dabei bedeuten P die Leistung des Motors 12, I12, I22 und I32 die Quadrate der Strang-Ströme 31, 32, 33 und R den elektrischen Widerstand der jeweiligen Erregerstränge 28, 29, 30. Die Leistung P bestimmt den Grad der Erwärmung des Motors 12, die zweckmäßigerweise gering ist. Beim Motor 12 beträgt die Motorverstärkung KM beispielsweise 7,5 N/A bei einem Maximalstrom Imax = 15 A.

Die 4 und 6 zeigen eine unterschiedliche Bestromung des Motors 12, einmal mit einem blockförmigen Stromverlauf 47 (4) und einmal mit einem sinusförmigen Stromverlauf 49 (6). In den 4 bis 9 ist eine normierte Darstellung gewählt, bei der die Ströme 31-33 jeweils 1 A betragen. Daraus ergibt sich eine normierte Darstellung, bei der der Strom 31 beispielsweise zwischen den Werten ± 1 A verläuft, wobei in der normierten Darstellung gemäß 4 bis 9 zur besseren Übersichtlichkeit der Strom 31 auf ± 1 ohne die Angabe "Ampere" normiert dargestellt ist. Auch Kraftverläufe 53-58 der Kraft F sowie Leistungsverläufe 59-64 der Leistung P sind normiert dargestellt und betragen beispielsweise bei sinusförmiger Kommutierung gemäß 6 1,5 N bzw. 1,5 Watt. Die SI-Einheiten A, N und Watt sind aus Gründen der Übersichtlichkeit in den 4 bis 9 weggelassen.

Wenn die Bestromungseinrichtung 34 die Erregerspulenanordnung 27 mit blockförmigen Strömen 31-33 bestromt, resultiert hieraus eine konstante Leistungsaufnahme von 2 Watt (Leistungsverlauf 59) bei einem welligen Kraftverlauf 53 von etwa 1,65 N im Durchschnitt. Bei Sinuskommutierung ist eine niedrigere Gesamtkraft F von konstant 1,5 N (Kraftverlauf 55) bei konstanter Leistungsaufnahme von 1,5 Watt (Leistungsverlauf 61) festzustellen. Die Bestromungseinrichtung 34 erzeugt demnach bei Blockkommutierung eine größere Kraftabgabe des Motors 12, jedoch bei deutlich erhöhter Leistung, sodass der Wirkungsgrad gegenüber der Sinuskommutierung schlechter ist.

Zur Erzeugung der sinusförmigen oder blockförmigen Kommutierung weist die Bestromungseinrichtung 34 ein Blockkommutierungsmodul 65 und ein Sinuskommutierungsmodul 66 auf, beispielsweise in Form von Programmmodulen mit Programmcode, der durch einen Prozessor 67 ausführbar ist. Die Module 65, 66 sind in einem Speichermittel 68, beispielsweise flüchtigem und/oder nichtflüchtigem Speicher, gespeichert. In diesem Speicher sind ferner ein Trapezkommutierungsmodul 69, ein Sinuid-Kommutierungsmodul 70 sowie ein Umschaltmodul 71 gespeichert, bei denen es sich ebenfalls um Programmmodule mit durch den Prozessor 67 ausführbarem Programmcode handelt. Der Prozessor 67 bzw. die Module 65, 66, 69 und 70 kommunizieren über Schnittstellenmittel 72 mit den Vollbrückenschaltungen 38-40 bzw. der Steuerungsvorrichtung 43. Die Schnittstellenmittel 72, 73 enthalten beispielsweise digitale und/oder analoge Eingänge und Ausgänge.

Die Kommutierungsmodule 65, 66, 69 und 70 stellen an den Vollbrückenschaltungen 38, 39, 40 blockförmige, sinusförmige, trapezförmige bzw. sinuide Stromverläufe der Ströme 31-33 ein. Das Umschaltmodul 71 aktiviert jeweils eines der Kommutierungsmodule 65, 66, 69, 70 in Abhängigkeit von einem beispielsweise durch die Steuerungsvorrichtung 43 vorgebbaren Kriterium, zum Beispiel der Kraftabgabe des Motors 12, einer maximalen Leistung oder dergleichen. Beispielsweise aktiviert das Umschaltmodul 71 das Blockkommutierungsmodul 65, wenn eine höhere Kraft des Motors 12 erforderlich ist, und das Sinuskommutierungsmodul 66, wenn ein möglichst gleichmäßiger Kraft- und Leistungsverlauf des Motors 12 erforderlich ist.

Des Weiteren kann das Umschaltmodul 71 aber auch das Trapezkommutierungsmodul 69 aktivieren, so dass sich die in 5 dargestellten Verläufe 48, 54, 60 und der Kraft bzw. der Leistung des Motors 12 ergeben. Bei einer trapezförmigen Kommutierung mit einem beispielsweise trapezförmigen Stromverlauf 48 gemäß 5 ist die Kraftabgabe des Motors 12 gegenüber der Blockkommutierung höher, bei im Wesentlichen gleicher Leistungsaufnahme und geringerer Kraftwelligkeit. Das Trapezkommutierungsmodul 69 kann zur Veränderung der Kraftabgabe beispielsweise die Flankensteilheit der trapezförmigen Stromverläufe und/oder eine Länge L eines Trapez-Bestromungsblocks modifizieren.

Besonders bevorzugt sind jedoch die in den 7 bis 9 dargestellten sinuiden Stromverläufe 50, 51 und 52, die durch das Sinuid-Kommutierungsmodul 70 einstellbar sind. Prinzipiell ist das Sinuid-Kommutierungsmodul auch zur Einstellung sinusförmiger Stromverläufe, wie beispielsweise dem Stromverlauf 49, in der Lage. ES ist auch eine Bauform einer erfindungsgemäßen Bestromungseinrichtung denkbar, die beispielsweise lediglich das Sinuid-Kommutierungsmodul 70, nicht jedoch die weiteren Module 65, 66, 69 sowie das Umschaltmodul 71 enthält.

Die Funktionen des Sinuid-Kommutierungsmoduls 70 werden nachfolgend anhand der 7 bis 9 vorgestellt. Eine sinuide Kommutierung der Ströme 31-33 stellt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dar.

Das Sinuid-Kommutierungsmodul 70 beaufschlagt den Sinusverlauf des Stroms 31 mit einem Sinusfaktor SF, beispielsweise in Abhängigkeit von der bereitzustellenden Kraft. Wenn der Sinusfaktor SF = 1 ist, wie in 6, ist die normierte Kraftabgabe beispielsweise 1,5 N bei dem Motor 12. Bei einem größeren Sinusfaktor SF, wie beispielsweise in den 7 bis 9, werden die Flanken der sinusförmigen Stromverläufe 50-52 steiler, wobei beispielsweise der sinuide Stromverlauf 52 gemäß 9 näherungsweise einem trapezförmigen Stromverlauf entspricht. Die Stromverläufe 50-52 sind auf die normierten Werte +1 bzw. –1 begrenzt, wobei sozusagen eine abgeplattete, amplitudenbegrenzte Sinusfunktion gebildet ist.

Aus 7 ist beispielsweise erkennbar, dass die resultierende Kraft F näherungsweise der Kraft F bei trapezförmiger Kommutierung gemäß 5 entspricht, jedoch die Leistungsaufnahme des Motors 12 im Vergleich zur trapezförmigen Kommutierung geringer ist.

Nun wäre es prinzipiell möglich, zur Beeinflussung der Kraftabgabe des Motors 12 den Sinusfaktor vorzugeben. Besonders bevorzugt ist es aber, dass das Kommutierungsmodul 70 anhand eines Kommutierungsfaktors KF den Sinusfaktor SF ermittelt.

Die Erfinder haben hierzu die folgende Näherungsfunktion SF = 1 + 0,344·tan(2,76·KF – 5,64)(3) ermittelt, die einen Zusammenhang zwischen dem Sinusfaktor SF und dem Kommutierungsfaktor KF herstellt, der in 3 grafisch dargestellt ist.

Mit Hilfe von Funktionserzeugungsmitteln 74 (2), die beispielsweise in Programmcode realisiert sind, erzeugt das Sinuid-Kommutierungsmodul 70 anhand einer vorgegebenen Sollkraft SF in Abhängigkeit von einem Weg S einen Soll-Strangstrom 2S. Die Funktionserzeugungsmittel 74 sind beispielsweise für jeden der Strangströme 31-33 bei dem Sinuid-Kommutierungsmodul 70 vorhanden. Die Sollkraft SF wird zunächst in einem Schritt 75 durch die Motorverstärkung KM dividiert, beim Motor 12 beispielsweise durch den Wert 7,5. In einem Schritt 76 ermitteln die Funktionsmittel 74 anhand des Ausgangswertes des Schrittes 75 einen Kommutierungsfaktor KF, wobei beispielsweise das Ergebnis des Schrittes 75 durch den Maximalstrom des Motors 12, vorliegend 15 A, dividiert (vgl. Formel (1)) und anschließend auf einen Wertebereich, der zweckmäßigerweise zwischen 1,5 und 1,9 liegt, nach unten und oben begrenzt. Dies ist deshalb eine zweckmäßige Variante, weil bei größeren Kommutierungsfaktoren KF der Wirkungsgrad des Motors 12 deutlich verschlechtert ist und die Kraftwel-ligkeit der abgegebenen Kraft deutlich ansteigt. In einem Schritt 76 wird der Ausgangswert des Schrittes 75 durch den Kommutierungsfaktor KF dividiert, um den Sollstrom IS zu ermitteln.

Der Kommutierungsfaktor KF bildet ferner den Eingangswert für einen Schritt 78, bei dem anhand des Kommutierungsfaktors KF der Sinusfaktor SF gemäß der Formel (3) ermittelt wird.

In einem Schritt 79 ermitteln die Funktionserzeugungsmittel 74 anhand des Weges S eine Sinusfunktion SFK gemäß nachfolgender Formel (4): SFK = sin(2·&pgr;·S/PB)(4) bei der PB die Polbreite ist.

In einem Schritt 80 multiplizieren die Funktionserzeugungsmittel 74 die Sinusfunktion SFK mit dem Sinusfaktor SF, wodurch die unterschiedlichen Flankensteilheiten der Stromver-läufe 50, 51, 52 in den 7 bis 9 erzeugt werden.

In einem Schritt 81 begrenzen die Funktionserzeugungsmittel 74 die mit dem Sinusfaktor SF beaufschlagte Sinusfunktion SFK auf Maximalwerte ± 1, wodurch die Abplattung gemäß 7 bis 9 entsteht.

Bei einem Sinusfaktor SF < 1 greift diese Begrenzung nicht, sodass beispielsweise bei einem Sinusfaktor SF ≤ 1 ein sinusförmiger Stromverlauf 49 entsteht.

In einem Schritt 82 multiplizieren die Funktionserzeugungsmittel 74 den Sollstrom IS mit der amplitudenbegrenzten, mit dem Sinusfaktor SF beaufschlagten Sinusfunktion SFK, um den Soll-Strangstrom ISS zur Beaufschlagung einer Erregerspule 28-30 zu ermitteln. Die Bestromungseinrichtung 34 weist beispielsweise Regelungsmittel auf, um die Ströme 31, 32, 33 auf die jeweiligen Soll-Strangströme ISS, die beispielsweise um 120° phasenversetzt sind, zu regeln.

Die 7 bis 9 zeigen Stromverläufe 50, 51, 52, bei denen der Kommutierungsfaktor KF 1,654, 1,767 und 1,91 beträgt. Bei dem Kommutierungsfaktor KF 1,767 gemäß 8 ist der Wirkungsgrad etwa entsprechend dem Wirkungsgrad bei Blockkommutierung (siehe 4), wohingegen die Maximalkraft (Kraftverlauf 57) deutlich höher und die Kraftwelligkeit etwa um den Faktor 3 geringer ist.

Bei einem Kommutierungsfaktor KF = 1,91 (9) ist die Maximalkraft optimiert und beträgt etwa das 1,28-fache einer entsprechenden Sinuskommutierung.

In 10 sind Diagramme bei unterschiedlichen Kommutierungsarten dargestellt, wobei der Wirkungsgrad des Motors 12 über der erreichbaren maximalen Kraft F in Prozent bezogen auf eine Sinuskommutierung liegt, die durch einen Wirkungsgradverlauf 83 dargestellt ist. Bei Blockkommutierung, dargestellt durch einen Wirkungsgradverlauf 84, ist der Wirkungsgrad geringer, die erzielbare Maximalkraft jedoch in Bezug auf die Sinuskommutierung größer. Bei Trapezkommutierung, dargestellt durch einen Wirkungsgradverlauf 85, ist der Wirkungsgrad gegenüber der Blockkommutierung höher, jedoch kleiner als bei Sinuskommutierung, wobei die Maximalkraft gegenüber der Block- und Sinuskommutierung größer ist. Bei sinuider Kommutierung, dargestellt durch einen Wirkungsgradverlauf 86, ist der Wirkungsgrad bis zur Maximalkraft vergleichbar mit der sinusförmigen Kommutierung (100 %) identisch mit der Sinuskommutierung. Dann nimmt der Wirkungsgrad kontinuierlich ab bis etwa auf einen Wert von 0,7 (bezogen auf die sinusförmige Kommutierung), wobei eine etwa 28 % höhere Maximalkraft als bei Sinuskommutierung erzielbar ist.

In 11 sind unterschiedliche Kraftwelligkeiten bei unterschiedlichen Kommutierungsarten bezogen auf Blockkommutierung (Kraftwelligkeitsverlauf 87) mit einem normierten Wert von 1 bis zur Maximalkraft von 110 % dargestellt. Bei Sinuskommutierung (Kraftwelligkeitsverlauf 88) ist die Kraftwelligkeit 0 (vgl. 6). Bei Trapezkommutierung (Kraftwelligkeitsverlauf 89) ist bis zur erreichbaren Maximalkraft von etwa 115 % bezogen auf Sinuskommutierung die Kraftwelligkeit etwa konstant bei 0,39 anzusetzen. Bei variabler sinuider Kommutierung, die erfindungsgemäß bevorzugt ist, stellt sich ein Kraftwelligkeitsverlauf 90 ein, der bis zu einer Maximalkraft von 100 % den Wert 0 hat, dann zwischen 100 und 110 % der Maximalkraft auf etwa 60 % der Kraftwelligkeit von Blockkommutierung ansteigt und dann wieder abfällt, um bei einer Maximalkraft von etwa 117 % bezüglich der Sinuskommutierung eine minimale Kraftwelligkeit von 0,2 bezüglich der Blockkommutierung zu erreichen. Dann steigt die Kraftwelligkeit bei variabler sinuider Kommutierung stark an. Allerdings ist erst bei Spitzenkräften, die bei etwa 22 % über der Sinuskommutierung liegen, die Kraftwelligkeit der bevorzugten variablen sinuiden Kommutierung größer als bei Blockkommutierung.

Vorzugsweise wird der Motor 12 bzw. der Hybridantrieb 11 jedoch nur kurzfristig in derartigen Kraftbereichen betrieben, sodass sich die entsprechende Kraftwelligkeit kaum negativ auswirkt. Dasselbe gilt für den Wirkungsgrad des Motors 12 bzw. des Hybridantriebs 11. Kurzzeitige maximale Beanspruchungen des Motors 12 wirken sich auf den Gesamtwirkungsgrad des Motors 12 bzw. des Hybridantriebs 11 kaum aus. Dementsprechend ermöglicht die erfindungsgemäße variable sinuide Kommutierung zweckmäßigerweise kurzfristig die Bereitstellung von maximalen Kräften durch den Motor 11. Im Dauerbetrieb schaltet die Bestromungseinrichtung 34 zweckmäßigerweise auf die sinusförmige Kommutierung um bzw. wechselt kontinuierlich von der sinuiden zur sinusförmigen Kommutierung, um eine Erwärmung des Motors 12 und somit des Hybridantriebs 11 mög lichst zu vermeiden.


Anspruch[de]
Elektronisch kommutierter Motor (12) mit mindestens zwei Erregersträngen (28-30) und einem Läufer (14), der abhängig von einer Bestromung der Erregerstränge (28-30) durch eine Bestromungseinrichtung (34) antreibbar ist, wobei die mindestens zwei Erregerstränge (28-30) voneinander unabhängig bestrombar sind und an den mindestens zwei Erregersträngen (28-30) voneinander unabhängige Spannungen anlegbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestromungseinrichtung (34) zur Einstellung amplitudenbegrenzter sinusförmiger Stromverläufe (50-52) an den mindestens zwei Erregersträngen (28-30) ausgestaltet ist, wobei die Stromverläufe mit Sinuswerten sinusförmig bis zu einem oberen Grenzwert ansteigen oder zu einem unteren Grenzwert abfallen und diesen oberen oder unteren Grenzwert im wesentlichen konstant beibehalten, bis die Sinuswerte wieder den oberen Grenzwert unterschreiten bzw. den unteren Grenzwert überschreiten, wobei die Bestromungseinrichtung zur Ermittlung eines Sinusfaktors (SF) für die Stromverläufe (50-52) der Erregerstränge (28-30) anhand eines Kommutierungsfaktors (KF), der ein Verhältnis zwischen der Leistung und der erzielbaren Kraft des Motors (12) definiert, gemäß der Näherungsfunktion SF = 1 + 0,344·tan(2,76·KF – 5,64) ausgestaltet ist, und die Stromverläufe bei einem Betrag des Sinusfaktors (SF) größer als 1 auf den oberen oder den unteren Grenzwert begrenzt sind, und wobei die Bestromungseinrichtung zur Ermittlung des Stromverlaufs (50-52) für einen jeweiligen Erregerstrang (28-30) eine Sinusfunktion mit dem Sinusfaktor (SF) multipliziert. Elektronisch kommutierter Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Erregerstrang eine Vollbrückenanordnung (38-40) der Bestromungseinrichtung (34) zugeordnet ist. Elektronisch kommutierter Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Rotationsmotor oder ein Linearmotor ist. Elektronisch kommutierter Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er die Bestromungseinrichtung (34) enthält. Elektronisch kommutierter Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sinusförmigen Stromverläufe mit einem Verstärkungsfaktor beaufschlagbar sind. Elektronisch kommutierter Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungsfaktor in Abhängigkeit von einer durch den Motor (12) zu erbringenden Leistung und/oder von einer Welligkeit einer Kraftabgabe oder Drehmomentabgabe des Motors (12) und/oder von einer insbesondere maximalen oder durchschnittlichen Kraftabgabe oder Drehmomentabgabe des Motors (12) und/oder von einem gewünschten Wirkungsgrad des Motors (12) einstellbar ist. Elektronisch kommutierter Motor (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestromungseinrichtung (34) zur Einstellung sinusförmiger oder amplitudenbegrenzter sinusförmiger Stromverläufen und umgekehrt umschaltbar ist. Elektronisch kommutierter Motor (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestromungseinrichtung (34) Mittel zur Einstellung trapezförmiger Stromverläufe (48) an den mindestens zwei Erregersträngen (28-30) ausgestaltet ist. Elektronisch kommutierter Motor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Höhe und/oder eine Flankensteilheit und/oder eine Länge der trapezförmigen Stromverläufe (48) bei der Bestromungseinrichtung (34) einstellbar ist. Elektronisch kommutierter Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestromungseinrichtung (34) Mittel zum Umschalten zwischen sinusförmigen und/oder amplitudenbegrenzten sinusförmigen und/oder trapezförmigen Stromverläufen in Abhängigkeit von mindestens einem Kriterium aufweist. Elektronisch kommutierter Motor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Kriterium eine durch den Motor (12) bereitzustellende Maximalkraft (FMAX) umfasst. Elektronisch kommutierter Motor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Kriterium ein Verhältnis zwischen der Leistung und der Kraftabgabe des Motors (12) umfasst. Elektronisch kommutierter Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestromungseinrichtung (34) zur Bestromung der mindestens zwei Erregerstränge (28-30) mit gleichmäßigen Phasenversätzen ausgestaltet ist, wobei die Phasenversätze durch die Anzahl der Erregerstränge (28-30) bestimmt ist. Elektronisch kommutierter Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestromungseinrichtung (34) und der Motor (12) eine Baueinheit bilden. Elektronisch kommutierter Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er als ein Hybridantrieb ausgestaltet ist, der elektrisch und fluidtechnisch, insbesondere pneumatisch, antreibbar ist. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer einen Kolben eines fluidtechnischen Antriebs bildet. Bestromungseinrichtung (34) für einen elektronisch kommutierten Motor (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit mindestens zwei Erregersträngen (28-30) und einem Läufer (14), der abhängig von einer Bestromung der Erregerstränge (28-30) durch eine Bestromungseinrichtung (34) antreibbar ist, wobei sie Mittel zur voneinander unabhängigen Bestromung jedes Erregerstrangs aufweist, wobei an den mindestens zwei Erregersträngen (28-30) voneinander unabhängige Spannungen anlegbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Einstellung amplitudenbegrenzter sinusförmiger Stromverläufe (50-52) an den mindestens zwei Erregersträngen (28-30) ausgestaltet ist, wobei die Stromverläufe mit Sinuswerten sinusförmig bis zu einem oberen Grenzwert ansteigen oder zu einem unteren Grenzwert abfallen und diesen oberen oder unteren Grenzwert im wesentlichen konstant beibehalten, bis die Sinuswerte wieder den oberen Grenzwert unterschreiten bzw. den unteren Grenzwert überschreiten, wobei die Bestromungseinrichtung zur Ermittlung eines Sinusfaktors (SF) der Stromverläufe (50-52) anhand eines Kommutierungsfaktors (KF), der ein Verhältnis zwischen der Leistung und der erzielbaren Kraft des Motors (12) definiert, gemäß der Näherungsfunktion SF = 1 + 0,344·tan(2,76·KF – 5,64) ausgestaltet ist, und die Stromverläufe bei einem Betrag des Sinusfaktors (SF) größer als 1 auf den oberen oder den unteren Grenzwert begrenzt sind, und wobei die Bestromungseinrichtung zur Ermittlung des Stromverlaufs (50-52) für einen jeweiligen Erregerstrang (28-30) eine Sinusfunktion mit dem Sinusfaktor (SF) multipliziert. Bestromungseinrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur voneinander unabhängigen Bestromung jedes Erregerstrangs eine Vollbrückenanordnung (38-40) umfassen. Bestromungseinrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen durch einen Prozessor ausführbaren Programmcode aufweist. Speichermittel mit einer Bestromungseinrichtung (34) nach Anspruch 19. Verfahren zur Bestromung eines elektronisch kommutierten Motors (12) mit mindestens zwei Erregersträngen (28-30) und einem Läufer (14), der abhängig von einer Bestromung der Erregerstränge (28-30) durch eine Bestromungseinrichtung (34) antreibbar ist, mit einer voneinander unabhängigen Bestromung jedes Erregerstrangs anhand voneinander unabhängige Spannungen an den mindestens zwei Erregersträngen (28-30), gekennzeichnet durch Einstellung amplitudenbegrenzter sinusförmiger Stromverläufe (50-52) an den mindestens zwei Erregersträngen (28-30), wobei die Stromverläufe mit Sinuswerten sinusförmig bis zu einem oberen Grenzwert ansteigen oder zu einem unteren Grenzwert abfallen und diesen oberen oder unteren Grenzwert im wesentlichen konstant beibehalten, bis die Sinuswerte wieder den oberen Grenzwert unterschreiten bzw. den unteren Grenzwert überschreiten, wobei die Bestromungseinrichtung zur Ermittlung eines Sinusfaktors (SF) der Stromverläufe (50-52) anhand eines Kommutierungsfaktors (KF), der ein Verhältnis zwischen der Leistung und der erzielbaren Kraft des Motors (12) definiert, gemäß der Näherungsfunktion SF = 1 + 0,344·tan(2,76·KF – 5,64) ermittelt, und die Stromverläufe bei einem Betrag des Sinusfaktors (SF) größer als 1 auf den oberen oder den unteren Grenzwert begrenzt sind, und wobei die Bestromungseinrichtung zur Ermittlung des Stromverlaufs (50-52) für einen jeweiligen Erregerstrang (28-30) eine Sinusfunktion mit dem Sinusfaktor (SF) multipliziert. Verfahren nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch Umschaltung zwischen trapezförmigen und/oder sinusförmigen und/oder oder amplitudenbegrenzten sinusförmigen Stromverläufen an den mindestens zwei Erregersträngen.






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