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Title:
METHOD AND DEVICE FOR LIMITING MOTOR CURRENT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2008/138663
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for operating a non-stalling electric motor (2), comprising the following steps: determining an indication of the motor temperature (T); providing an actuating voltage for operating the electric motor depending on the indication of the motor temperature (T), a coil winding of the electric motor (2) comprising a cold conducting material (such as copper), the actuating voltage being increased when the determined motor temperature increases, and the actuating voltage being selected such that the torque is constant.

Inventors:
HEIMLICH, Luc (Rue Des Pres 2a, Hatten, 67690, FR)
RUMMEL, Michael (Wagshurster Str. 23, Achern-Oensbach, 77855, DE)
WEBER, Marcellus (Im Kirchfeld 1, Ottersweier, 77833, DE)
PAULI, Stephan (Holzstr. 37, Achern, 77855, DE)
TISCH, Florian (Franz-Meier-Str. 32, Renchen-Ulm, 77871, DE)
Application Number:
EP2008/053158
Publication Date:
November 20, 2008
Filing Date:
March 17, 2008
Export Citation:
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Assignee:
ROBERT BOSCH GMBH (Postfach 30 02 20, Stuttgart, 70442, DE)
HEIMLICH, Luc (Rue Des Pres 2a, Hatten, 67690, FR)
RUMMEL, Michael (Wagshurster Str. 23, Achern-Oensbach, 77855, DE)
WEBER, Marcellus (Im Kirchfeld 1, Ottersweier, 77833, DE)
PAULI, Stephan (Holzstr. 37, Achern, 77855, DE)
TISCH, Florian (Franz-Meier-Str. 32, Renchen-Ulm, 77871, DE)
International Classes:
H02P7/285; H02P21/14; H02P29/02
Domestic Patent References:
WO2003026936A12003-04-03
Foreign References:
DE102004046626A12006-03-30
DE10101213A12002-07-18
Attorney, Agent or Firm:
ROBERT BOSCH GMBH (Postfach 30 02 20, Stuttgart, 70442, DE)
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Claims:

Patentansprüche

1. Verfahren zum Betreiben eines blockiersicheren Elektromotors (2), mit folgenden Schritten: - Ermitteln einer Angabe über die Motortemperatur (T) ;

- Bereitstellen einer Ansteuerspannung zum Betreiben des Elektromotors abhängig von der Angabe über die Motortemperatur (T) .

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Spulenwicklung des Elektromotors (2) ein Kaltleitermaterial aufweist, wobei die Ansteuerspannung erhöht wird, wenn die ermittelte Motortemperatur ansteigt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Ansteuerspannung so gewählt wird, dass das Drehmoment konstant ist. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Ansteuerspannung abhängig von der Motortemperatur geregelt oder gesteuert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Ansteuerspannung weiter abhängig von eine Stellgröße gesteu- ert oder geregelt wird.

6. Motorsystem (1), insbesondere für ein elektronisches ScheibenwischerSystem, umfassend:

- einen Elektromotor (2);

- eine Temperaturerfassungseinheit (4, 5) zur Erfassung einer Angabe über die Motortemperatur; und

- eine Ansteuereinheit (6, 3) zum Bereitstellen einer Ansteuerspannung für den Elektromotor, wobei die Ansteuereinheit (6, 3) ausgebildet ist, um die Ansteuerspannung abhängig von der Angabe über die Motortemperatur (T) zu erzeugen.

7. Motorsystem nach Anspruch 6, wobei der Elektromotor (2) eine Spulenwicklung mit einem Kaltleitermaterial aufweist, wobei die Ansteuereinheit (6, 3) ausgebildet ist, um bei

einer Erhöhung der Motortemperatur die Ansteuerspannung zu erhöhen .

8. Motorsystem nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Elektromotor

(2) blockiersicher ausgelegt ist.

9. Motorsystem nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Ansteuereinheit (6, 3) die Ansteuerspannung so einstellt, dass das Drehmoment konstant ist.

Description:

ROBERT BOSCH GMBH, 70442 Stuttgart

Beschreibung

Titel

Verfahren und Vorrichtung zur Begrenzung des Motorstroms

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Begrenzung des Motorstroms.

Je nach Anwendungsgebiet und Bauart sind heutige Elektromotoren ohne Strombegrenzerschaltungen ausgeführt. Dies ist bei- spielsweise bei heutigen elektronisch gesteuerten Scheibenwischermotoren der Fall. Solche Elektromotoren sind vorzugsweise blockierfest ausgelegt, d.h. dass selbst bei einem vollständigem Blockieren des Elektromotors bei anliegender Spannung kein Strom durch den Elektromotor fließt, der zu einer Zerstörung führen kann.

Ein solcher Elektromotor weist in der Regel eine Temperaturüberwachung auf, um in einem Schwerlastfall und der daraus resultierenden Erwärmung des Elektromotors eine Abschaltung des Elektromotors vornehmen zu können, wenn eine Schwellentemperatur überschritten wird. Die Temperaturüberwachung wird beispielsweise mit Hilfe eines im Elektromotor vorgesehenen Thermoschalters durchgeführt.

Da keine Strombegrenzung vorgesehen ist, können je nach anliegender mechanischer Last Ströme bis hin zu dem maximalen Blockierstrom, der bei vollständig blockiertem Rotor fließt, auftreten, da durch die Temperaturüberwachung der Motorstrom

nicht in seiner Höhe, sondern nur in der Dauer, während der dieser Strom durch den Elektromotor fließt, begrenzt wird.

Der maximal mögliche Motorstrom (Blockierstrom) bestimmt sich in erster Linie durch den Widerstand der Ankerwicklungen und ist aufgrund des verwendeten Materials, vorwiegend Kupfer, temperaturabhängig. Kupfer ist ein Kaltleiter, d.h. mit steigender Temperatur steigt auch der elektrische Widerstand von Kupfer an. D.h. bei tiefen Temperaturen ist der elektrische Widerstand der Ankerwicklung geringer. So stellt sich bei tiefen Temperaturen der maximal mögliche Motorstrom (im Blockierfall) ein, während bei hohen Temperaturen der maximal mögliche Strom geringer ist.

Ein derartiger Elektromotor muss daher so ausgelegt werden, dass er einerseits im oberen Temperaturbereich seine Funktion erfüllen kann, d.h. z.B. das entsprechende Drehmoment bereitstellen kann, und andererseits muss das Gesamtsystem die bei tiefen Temperaturen auftretenden höheren Motorströme verkraf- ten können.

Weiterhin treten bei niedrigen Temperaturen aufgrund der höheren Ströme sehr hohe Drehmomente auf, die unter Umständen größer sind als die von einem mit dem Motor verbundenen Ge- triebe zulässigen Drehmomente, sodass bei niedrigen Temperaturen und bei Anliegen großer Last über das Getriebe Schäden durch ein zu hohes vom Motor abgegebenes Drehmoment auftreten können .

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors sowie einen Elektromotor zur Verfügung zu stellen, wobei der maximale Motorstrom begrenzt werden kann, ohne dass z.B. eine aufwändige Strombe-

grenzungsschaltung bzw. Drehmomentbegrenzungsschaltung und dergleichen vorgesehen werden muss.

Offenbarung der Erfindung

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors nach Anspruch 1 sowie durch das Motorsystem gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines blockiersicheren Elektromotors vorgesehen. Das Verfahren umfasst das Ermitteln einer Angabe über die Motortemperatur, sowie das Bereitstellen einer Ansteuerspannung zum Betreiben des Elektromotors abhängig von der Angabe über die Motortemperatur .

Eine Idee der Erfindung besteht darin, die an dem Elektromotor angelegte Spannung abhängig von der Motortemperatur anzupassen, d.h. zu steuern bzw. zu regeln, sodass bei Verwendung eines Kaltleiters als Wicklungsmaterial für den Elektromotor bei niedrigen Motortemperaturen eine geringere Spannung an den Elektromotor angelegt wird als bei höheren Temperaturen. Auf diese Weise kann der durch den Elektromotor fließende Motorstrom durch die an den Motor angelegte Spannung begrenzt werden. Dadurch kann die maximal mögliche Stromaufnahme des Gesamtsystems begrenzt werden und die Belastung des Stromver- sorgungsnetzes, d.h. im Falle eines Kraftfahrzeugs des Bordnetzes, sinkt. Weiterhin können dadurch, dass die maximal möglichen Ströme in dem Elektromotor reduziert werden, preisgünstigere Leistungsschalter für die Endstufe des Elektromo-

tors verwendet werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass im Blockierfall die Motorentmagnetisierung reduziert ist, da die Stärke des durch den Blockierstrom erzeugten Magnetfeldes geringer ist als ohne die Spannungsanpassung. Durch die Reduzierung des Drehmoments bei niedriger Temperatur kann das Getriebe vor überlast geschützt werden.

Weiterhin kann eine Spulenwicklung des Elektromotors ein Kaltleitermaterial aufweisen, wobei die Ansteuerspannung er- höht wird, wenn die ermittelte Motortemperatur ansteigt.

Gemäß einer Ausführungsform kann die Ansteuerspannung so gewählt werden, dass das Drehmoment konstant ist, d.h. der Strom durch die Spulenwicklungen des Elektromotors wird bei einem bestimmten Ansteuerzustand des Elektromotors (z.B.

Volllast, Blockierfall und dergleichen) über die Ansteuerspannung des Elektromotors so gesteuert, dass der Strom bei jeder Motortemperatur konstant ist. Insbesondere kann die Ansteuerspannung abhängig von der Motortemperatur geregelt oder gesteuert werden. Weiterhin kann die Ansteuerspannung weiter abhängig von eine Stellgröße gesteuert oder geregelt werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Motorsystem, insbesondere für ein elektronisches Scheibenwischersystem, vorgesehen. Das Motorsystem umfasst einen Elektromotor, eine Temperaturerfassungseinheit zur Erfassung einer Angabe über die Motortemperatur und eine Ansteuereinheit zum Bereitstellen einer Ansteuerspannung für den Elektromotor, wobei die Ansteuereinheit ausgebildet ist, um die Ansteuerspannung abhängig von der Angabe über die Motortemperatur zu erzeugen.

Weiterhin kann der Elektromotor eine Spulenwicklung mit einem Kaltleitermaterial aufweisen, wobei die Ansteuereinheit aus-

gebildet ist, um bei einer Erhöhung der Motortemperatur die Ansteuerspannung zu erhöhen.

Gemäß einer Ausführungsform kann der Elektromotor blockiersi- eher ausgelegt sein.

Weiterhin kann die Ansteuereinheit die Ansteuerspannung so einstellen, dass das Drehmoment konstant ist.

Beschreibung der Ausführungsformen

Bevorzugte Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt ein Blockschaltbild eines Motorsystems 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Motorsystem 1 umfasst einen Elektromotor 2, insbesondere einen DC- Elektromotor, der mit Hilfe einer Endstufe 3 angesteuert und betrieben werden kann. Die Endstufe 3 kann beispielsweise in Form einer H-Brücke ausgebildet sein, die die am Elektromotor 2 anliegende Spannung durch ein Tastverhältnis einer Taktung eines Ansteuersignals S in der Endstufe 3 bestimmt. Das Ansteuersignal S wird der Endstufe 3 eingangsseitig bereitgestellt. Das Ansteuersignal kann bei dieser Ausführungsform als ein pulsweitenmoduliertes Signal ausgestaltet sein, dessen Tastverhältnis die effektiv an dem Elektromotor 2 anzulegende Spannung U angibt .

In dem Elektromotor 2 ist ein Temperatursensor 4 vorgesehen, der mit einer Ausleseeinheit 5 gekoppelt ist, sodass eine in dem Elektromotor 2 herrschende Motortemperatur T auslesbar ist und als Temperaturangabe bereitgestellt wird. Der Temperatursensor 4 kann beispielsweise als Thermowiderstand oder

dergleichen vorgesehen sein. Die Ausleseeinheit 5 ermittelt in diesem Fall die Temperaturangabe durch eine Widerstandsmessung des Temperatursensors. Die Temperaturangabe kann in digitaler oder analoger Form, z.B. in Form einer die Tempera- turangabe repräsentierenden Spannung.

Es ist eine Anpassungseinheit 6 vorgesehen, die abhängig von der Temperaturangabe, die von der Ausleseeinheit 5 empfangen wird und abhängig von einer ebenfalls bereitgestellten Ver- sorgungsspannung V das Ansteuersignal S für die Endstufe 3 zur Verfügung stellt, um eine entsprechende durch das Ansteuersignal S vorgegebene Ansteuerspannung U an den Elektromotor 2 anzulegen.

Alternativ kann das Ansteuersignal S ein variabler Spannungspegel sein, mit dem in der Endstufe 3 die an den Elektromotor 2 anzulegende Ansteuerspannung U gesteuert wird. Allgemein ist die Anpassungseinheit 6, die Endstufe 3 und der Elektromotor 2 so ausgebildet, dass abhängig von der Temperaturanga- be T die an dem Elektromotor 2 anliegende Spannung eingestellt wird.

Handelt es sich bei dem Elektromotor 2 um einen Elektromotor mit Wicklungen aus einem Kaltleitermaterial, wie z.B. Kupfer, so steigt der ohmsche Wicklungswiderstand mit steigender Temperatur an. Daher gibt die Anpassungseinheit 6 ein Ansteuersignal an den Elektromotor 2 aus, das die anzulegende Ansteuerspannung U bei steigender Temperatur des Elektromotors 2 erhöht, so dass der steigende Widerstand des Wicklungsmateri- als ausgeglichen wird. Beispielsweise kann die an dem Elektromotor 2 anzulegende Ansteuerspannung U so mit steigender Temperatur erhöht werden, dass das maximale von dem Elektromotor 2 abzugebende Drehmoment möglichst konstant gehalten

wird. Dies bedeutet, dass der in den Wicklungen des Elektromotors fließende Strom so eingestellt ist, dass er bei einem bestimmten gegebenen Ansteuerzustand des Elektromotors für jede Temperatur gleich ist. In diesem Fall kann z.B. die An- passungseinheit 6 das Temperaturverhalten des Kaltleiters im wesentlichen in Form einer Kennlinie des Kaltleiters nachbilden. Die Kennlinie des Kaltleiters beschreibt die Abhängigkeit des Widerstands über der Temperatur, so dass die Anpassungseinheit 6 eine Zuordnung der Temperaturangabe zu einem Anteilswert der anzulegenden Spannung bezüglich der maximalen Versorgungsspannung vornimmt.

Die Anpassungseinheit 6 kann als Regeleinheit oder als Steuereinheit ausgebildet sein. Im Falle, dass die Anpassungsein- heit 6 als Steuereinheit ausgebildet ist, kann in der Anpassungseinheit 6 eine Lookup-Tabelle oder eine Funktion hinterlegt sein, die abhängig von der bereitgestellten Temperaturangabe die anliegende Versorgungsspannung mit einem Anteilswert beaufschlagt (multipliziert) , dessen maximaler Wert 1 beträgt. Dieser Anteilswert kann z.B. durch das Tastverhältnis des Ansteuersignals S angegeben sein.

Weiterhin kann die Anpassungseinheit 6 als Regeleinheit ausgebildet sein, die neben einem Proportionalglied auch Integ- rationsglieder oder Differenzierglieder umfasst, um auch das zeitliche Verhalten des Temperaturverlaufs im Elektromotor 2 berücksichtigen zu können. Vorzugsweise stellt die Anpassungseinheit 6 die an dem Elektromotor 2 anliegende Ansteuerspannung U so ein, dass der maximale Motorstrom auf einen Ma- ximalwert beschränkt ist. D.h., der Motorstrom im Blockierfall des Motors ist auf einem bestimmten von dem Ansteuersignal bestimmten Strom begrenzt. Dies hat den Vorteil, dass preisgünstigere Leistungsschalter zur Realisierung der End-

stufe 3 verwendet werden können. Weiterhin ist die Stärke des im Blockierfall erzeugte Magnetfeld durch den aufgrund der angepassten Motorspannung reduzierten Stroms verringert, so dass die Entmagnetisierung von Permanentmagneten im Elektro- motor reduziert werden kann.

Wenn die Anpassungseinheit 6 weiterhin eine Stellgröße von einem übergeordneten Steuersystem erhält, um den Elektromotor mit variablen Drehmoment/Drehzahl zu betreiben, so kann diese Stellgröße mit der sich aus der von der Ausleseeinheit 5 bereitgestellten Temperaturangabe bestimmten Anteilgröße verrechnet werden, um eine Ansteuergröße S zu erhalten, die sowohl die Motortemperatur als auch die Stellgröße berücksichtigt. Beispielsweise kann die Stellgröße mit einer sich aus der Temperaturangabe gemäß einer Funktion ergebenden Anteilsgröße multipliziert werden, um so ein Ansteuersignal S zu erhalten, mit dem die an den Elektromotor 2 anzulegende Spannung aus der maximalen Versorgungsspannung bestimmt wird.

Die oben beschriebene Anpassung der Ansteuerspannung U ist insbesondere bei Elektromotoren sinnvoll, die nicht mit einer Stromsteuerung bzw. -regelung versehen sind, und daher eine Begrenzung des maximalen Stromflusses durch die Anpassung der angelegten Ansteuerspannung U erfolgen muss.