Elektronisch kommutierter Motor

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft Elektromotoren, insbesondere elektronisch kommutierte Elektromotoren zum Einsatz in Anwendungen für Gleichstrommotoren.

Stand der Technik

Bei Elektromotoren für unterschiedliche Anwendungen, insbesondere Peripherie- Anwendungen, werden bisher überwiegend Gleichstrommotoren eingesetzt, die in der Regel bürstenkommutiert sind. Elektronisch kommutierte Motoren sind dagegen relativ wenig verbreitet und werden in der Regel nur bei größeren Leistungen eingesetzt. Dies liegt daran, dass trotz der Vorteile elektronisch kommutierter Motoren im Hinblick auf Lebensdauer, Energieeffizienz und Geräuschentwicklung die Kosten der nötigen Ansteuerelektronik zur Ansteuerung des elektronisch kommutierten Motors bisher noch zu hoch sind.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Motoreinheit mit einem elektronisch kommutierten Motor bereitzustellen, welche einen bürstenkommu- tierten Elektromotor kostengünstig ersetzen kann.

Offenbarung der Erfindung

Diese Aufgabe wird durch die elektrische Motoreinheit gemäß Anspruch 1 und durch das Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Gemäß einem ersten Aspekt ist eine elektrische Motoreinheit vorgesehen. Die Motoreinheit umfasst:

ein Gehäuse; - einen in dem Gehäuse aufgenommenen elektronisch kommutierten Motor; und

eine Steuereinheit, um eine an die Motoreinheit angelegte Versorgungsgleichspannung in Phasenspannungen zum Ansteuern des elektronisch kommutierten Motors umzuwandeln,

wobei die Steuereinheit eine in die Gleichspannung kodierte Information empfängt und den elektronisch kommutierten Motor abhängig von der Information ansteuert.

Eine derartige universelle elektrische Motoreinheit verhält sich nach außen wie ein bürstenkommutierter Motor, bietet gegenüber bürstenkommutierten Motoren aber eine Vielzahl von Vorteilen, wie beispielsweise erhöhte Lebensdauer, niedrigere Betriebsgeräusche, eine bessere Energieeffizienz und eine kompaktere Bauweise.

Die elektrische Motoreinheit kann, ohne dass die Steuerelektronik individuell an- gepasst werden müsste, in den verschiedensten Bereichen eingesetzt werden, in denen bisher aus Kostengründen noch bürstenkommutierte Motoren zum Einsatz kamen, beispielsweise in unterschiedlichen Anwendungsbereichen in Kraftfahrzeugen, von der Sitzverstellung über Motorkühlgebläse, Pumpen für ABS/ESP- Systeme, variable Ventilsteuerungen (WT) bis hin zu Antrieben für Ölpumpen und dergleichen, oder auch in anderen Bereichen, beispielsweise bei Rohrmotor- Antrieben für Rollläden, Vakuum- oder Druckpumpen, Förderrollen oder bei Verstellmechanismen von Pflegebetten.

Es kann vorgesehen sein, dass eine Umkehr der Polarität der Versorgungsgleichspannung eine Umkehr der Drehrichtung des elektronisch kommutierten Motors bewirkt. Somit kann bei der erfindungsgemäßen Motoreinheit, wie bei einem bürstenkommutierten Motor, die Drehrichtung einfach durch Wechsel der Polarität der Versorgungsspannung geändert werden.

Die Information kann durch das Vorzeichen und/oder durch die Spannungshöhe der Versorgungsgleichspannung angegeben sein, so dass durch Änderung der Spannungshöhe und/oder des Vorzeichens der Gleichspannung vielfältige Steuer-Anweisungen an die Motoreinheit gesendet werden können.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Motoreinheit die Versorgungsgleichspannung über Anschlussleitungen erhalten, wobei die

Steuereinheit die Versorgungsgleichspannung auf den Anschlussleitungen mit einem Signal moduliert, dessen Frequenz von der Drehzahl des elektronisch kommutierten Motors abhängt, insbesondere proportional zu dieser ist. Ein derartiges Signal kann als Ripple-Signal dienen und zur Drehzahl- oder Positionser- fassung des elektronisch kommutierten Motors verwendet werden, so dass vorhandene Bauteile zur Drehzahl- oder Positionserfassung eines bürstenkommu- tierten Motors auch weiterhin mit der Motoreinheit gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Die Steuereinheit kann die Drehzahl des elektronisch kommutierten Motors auf einen Maximalwert begrenzen. Hierdurch kann eine verbesserte Lebensdauer des elektronisch kommutierten Motors erreicht werden. Weiterhin kann vermieden werden, dass aufgrund von Grenzfällen ein elektronisch kommutierter Motor mit überdimensionierten Leistungscharakteristiken verwendet werden muss.

Die Begrenzung der Drehzahl kann dabei durch Begrenzung der mittleren Spannung der Phasenspannungen durchgeführt werden, oder es ist denkbar, die Begrenzung der Drehzahl durch Begrenzung des bestromten Anteils der Phasenspannungen durchzuführen. Mit beiden Verfahren ist eine Begrenzung der ma- ximalen Drehzahl des elektronisch kommutierten Motors erreichbar, wobei bei

Begrenzung des bestromten Anteils der Phasenspannungen geringere Verlustleistungen auftreten.

Die Steuereinheit kann über eine Modulation der Spannung in den Gleichspan- nungs-Leitungen programmierbar sein. Mittels einer derartigen Power Line

Kommunikation können beispielsweise die maximale Drehzahl oder die Laufrichtung des elektronisch kommutierten Motors programmiert werden.

Um die Geräuschentwicklung der elektrischen Motoreinheit weiter zu verringern und um einen Lastwechselreaktionen im Betrieb des elektronisch kommutierten Motors zu vermeiden, kann vorgesehen sein, dass die Phasenspannungen jeweils einen trapezförmigen Spannungsverlauf aufweisen.

Zur Lageerkennung und Drehzahlbestimmung des elektronisch kommutierten Motors kann ein Hall-Sensor vorgesehen sein, um zu ermöglichen, dass der elektronisch kommutierte Motor gegen Last anläuft, sobald die elektrische Motoreinheit an eine Gleichspannungs-Zufuhr angeschlossen wird. Alternativ ist denkbar, die Lageerkennung des elektronisch kommutierten Motors mittels eines sensorlosen Verfahrens durchzuführen.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Betrieb eines elektronisch kommutierten Motors vorgesehen. Das Verfahren umfasst:

Umwandeln einer an die Motoreinheit angelegte Versorgungsgleichspannung in Phasenspannungen zum Ansteuern des elektronisch kommutierten Motors;

Empfangen einer in die Gleichspannung kodierte Information; und

- Ansteuern des elektronisch kommutierten Motors abhängig von der Information.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung detailliert anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer universellen Motoreinheit gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ein schematisches Schaltbild einer universellen Motoreinheit gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 ein schematisches Schaltbild einer universellen Motoreinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 ein schematisches Schaltbild einer universellen Motoreinheit gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und Fig. 5 ein schematisches Schaltbild einer universellen Motoreinheit gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung

Beschreibung von Ausführungsformen

Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau einer universellen Motoreinheit 10, bei welcher in einem zylinderförmigen Gehäuse 1 1 ein elektronisch kommutierter Motor 12 und eine Leiterplatte 13 aufgenommen sind. Der elektronisch kommu- tierte Motor 12 umfasst einen Rotor 12a und einen Stator 12b, wobei der Rotor um eine Längsachse des zylinderförmigen Gehäuses 1 1 drehbar ist. Die Leiterplatte 13 ist in Form einer runden Scheibe ausgebildet und ist senkrecht zur Längsachse des Gehäuses (und damit auch senkrecht zur Drehachse des Rotors 12a) angeordnet.

Auf der Leiterplatte 13 ist ein Hall-Sensor 20 zur Lagebestimmung des Rotors 12a angeordnet. Anstelle des Hall-Sensors 20 kann auch ein GMR-Sensor vorgesehen sein, oder die Lagebestimmung des Rotors 12a kann durch ein sensorloses Verfahren durchgeführt werden. Das Gehäuse 1 1 weist Anschlüsse auf, um die Motoreinheit 10 an Anschlussleitungen 16a, 16b anzuschließen.

Wie in Fig. 2 gezeigt, umfasst die universelle Motoreinheit 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weiterhin eine elektronische Steuereinheit 14, welche auf der Leiterplatte 13 angeordnet und an die Anschlussleitungen 16a, 16b angeschlossen ist.

Ein elektronisches Steuermodul 18 der Steuereinheit 14, welches beispielsweise ein Leistungsmodul, z. B. ein B6-Modul mit drei Inverterschaltungen für einen dreiphasigen Motor, umfasst, wandelt die anliegende Gleichspannung in Phasenspannungen zum Antrieb des elektronisch kommutierten Motors 12 um. Hierbei kann sowohl eine Blockkommutierung, Trapezkommutierung als auch eine Sinuskommutierung durchgeführt werden.

Als Taktfrequenz kann dabei beispielsweise eine Frequenz von 20kHz vorgegeben sein und die ausgegebenen Phasenspannungen können mittels Pulswei- tenmodulation auf einen gewünschten mittleren Spannungswert zum Antrieb des elektronisch kommutierten Motors 12 eingestellt werden. Der Hall-Sensor 20 ermöglicht eine Lageerkennung des Rotors des elektronisch kommutierten Motors 12, welche für den Anlauf des elektronisch kommutierten Motors 12 genutzt werden kann, so dass der elektronisch kommutierte Motor 12 direkt nach dem Anlegen einer Versorgungsgleichspannung an die Anschlussleitungen 16a, 16b mit maximaler Leistung anläuft bzw. hoher Dynamik anlaufen kann. Alternativ können auch sensorlose Verfahren zur Rotorlageerkennung verwendet werden. Um den Anschluss der Motoreinheit 10 an die Anschlussleitungen 16a, 16b mit beiden möglichen Anschlusspolaritäten zu ermöglichen, ist eine Schaltgruppe 22 vorgesehen, welche in dieser Ausführungsform als Dioden-Brückenschaltung 22 ausgeführt ist. Die Dioden-Brückenschaltung 22 ermöglicht eine einheitliche Laufrichtung des elektronisch kommutierten Motors 12, selbst wenn die univer- seile Motoreinheit 10 mit umgekehrter Polarität an die Anschlussleitungen 16a,

16b angeschlossen ist.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass trotz des Vorsehens der Dioden- Brückenschaltung 22 die Polarität der anliegenden Versorgungsgleichspannung bestimmt wird, z. B. mit Hilfe einer Leitung 24, und abhängig von der Polarität der anliegenden Versorgungsgleichspannung der Motor angesteuert wird. Beispielsweise kann abhängig von der Polarität die Drehrichtung festgelegt werden und/oder es können je nach Polung der Versorgungsgleichspannung unterschiedliche Drehzahlen in der Steuereinheit 14 eingestellt werden

Weiterhin kann die Leitung 24 als eine Kommunikationsleitung 24 ausgebildet sein, welche es ermöglicht, die an den Anschlussleitungen 16a, 16b anliegende Versorgungsgleichspannung zu modulieren und somit von der universellen Motoreinheit 10 Signale an andere Komponenten, die an die Anschlussleitungen 16a, 16b angeschlossen sind, auszugeben (Power Line Kommunikation).

Beispielsweise ist es denkbar, dass die Steuereinheit 14 oder das Steuermodul 18 ein Ripple-Signal erzeugen, welches das Ripple-Signal eines bürstenkommu- tierten Motors simuliert, so dass die Drehzahl oder die Position des elektronisch kommutierten Motors 12 mit vorhandenen Ripple-Counter-Schaltungen bestimmt werden kann. Dies ermöglicht es, einen vorhandenen bürstenkommutierten Mo- tor durch die universelle Motoreinheit 10 gemäß der vorliegenden Erfindung zu ersetzen, ohne dass andere Bauteile und Steuergeräte an den geänderten Motortyp angepasst werden müssen.

Bei der universellen Motoreinheit 10 tritt außerdem beim Motoranlauf kein Blockierstrom in den Anschlussleitungen 16a, 16b auf, welcher die Erfassung des Ripple-Signals erschweren würde. Somit kann, im Unterschied zu einem Bürstenmotor, bei der erfindungsgemäßen Motoreinheit 10 auch während des Anlaufens des elektronisch kommutierten Motors 12 die Drehzahl präzise bestimmt werden.

Die Drehzahl kann hierbei in Abhängigkeit des Betrags der anliegenden Gleichspannung eingestellt werden, so dass durch eine Änderung der Gleichspannung die Drehzahl des elektronisch kommutierten Motors 12 geändert werden kann.

Die Drehzahl des elektronisch kommutierten Motors 12 kann weiterhin über Einstellung der mittleren Spannungswerte der von dem B6-Modul 18 der Steuereinheit 14 bereitgestellten Phasenspannungen auf einen Maximalwert begrenzt werden. Alternativ ist denkbar, die Länge des bestromten Anteils jeder Phasenspannung zu kürzen, um die Drehzahl des elektronisch kommutierten Motors 12 zu begrenzen.

Um das Laufgeräusch des elektronisch kommutierten Motors 12 zu verringern und um Lastwechsel des elektronisch kommutierten Motors 12 abzumildern, kann vorgesehen sein, dass die Phasenspannungen zum Antrieb des elektronisch kommutierten Motors 12 jeweils einen trapezförmigen Spannungsverlauf aufweisen.

Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der universellen Motoreinheit 10 der vorliegenden Erfindung, wobei die Dioden-Brückenschaltung 22 der ersten Ausführungsform durch eine Relais-Schaltung 22' ersetzt ist.

Die Relais-Schaltung 22' erfüllt die gleiche Funktion wie die Dioden- Brückenschaltung 22 der ersten Ausführungsform und ermöglicht eine einheitliche Laufrichtung des elektronisch kommutierten Motors 12 unabhängig von der Anschlussrichtung, hat jedoch geringere Verluste als die Dioden- Brückenschaltung 22.

Fig. 4 zeigt eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Hierbei ist eine Modulationsschaltung 26 vorgesehen, mittels welcher das an den Anschlussleitungen 16a, 16b anliegende Signal moduliert werden kann, um über die Kommunikationsleitung 24 Anweisungen an die Steuereinheit 14 zu senden. Mittels des dargestellten Schalters oder mittels eines Steuergeräts kann die an den Anschlussleitungen 16a, 16b anliegende Spannung somit zeitkodiert zwischen der Betriebsspannung UB und der halben Betriebsspannung UB/2 hin- und hergeschaltet werden, wie in Fig. 3 gezeigt.

Derartige Anweisungen können beispielsweise eine Änderung einer maximalen Drehzahl oder Leistung des elektronisch kommutierten Motors 12 bewirken, oder die Drehrichtung des elektronisch kommutierten Motors 12 ändern.

Als Beispiel für eine derartige zeitkodierte Power Line Kommunikation kann zunächst eine Initialisierungssequenz festgelegt sein, bei der für 50ms die an den Anschlussleitungen 16a, 16b anliegende Spannung von UB auf UB/2 geschaltet wird und nach diesem Puls wieder für mehr als 200ms die volle Betriebsspannung UB anliegt. Nach der Initialisierung kann dann die Drehrichtung eingestellt werden, indem beispielsweise für eine Drehrichtung rechts für 50ms auf UB/2 geschaltet wird, und für Drehrichtung links für 100ms auf UB/2 geschaltet wird. Die Leistung kann durch mehrfaches, alternierendes Umschalten zwischen UB und UB/2 eingestellt werden, wobei das Verhältnis der Pulslängen von UB und UB/2 der gewünschten Leistung (im Bereich zwischen 0,25 und 1 ,0 der maximalen Leistung) entspricht.

Bei der in Fig. 5 dargestellten vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist zusätzlich zu den Merkmalen der dritten Ausführungsform noch ein Drehrichtungsschalter 28 vorgesehen, mittels dessen die Drehrichtung des elektronisch kommutierten Motors 12 geändert werden kann, indem die Anschlussrichtung der Anschlussleitungen 16a, 16b geändert wird.