Vorrichtung zur drehzahlabhängigen Bremsmomentregelung für

permanentmagneterregte E-Maschinen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur drehzahlabhängigen Bremsmomentregelung für permanentmagneterregte elektrische Maschinen (nachfolgend E-Maschinen genannt), die sowohl als Motor als auch als Generator betrieben werden können.

Bei permanentmagneterregten Maschinen trägt der Läufer der Maschine

Permanentmagnete, die durch ein von drei um 120° versetzten Wicklungssträngen U,

V, W erzeugtes elektrisch Feld angezogen oder abgestoßen werden. Das elektrische Feld der Wicklungsstränge wird dabei durch die Bestromung mit

Dreiphasenwechselstrom erzeugt, wobei die drei Phasen ebenfalls um 120° versetzt sind und jeweils ein Wicklungsstrang durch eine Phase bestromt wird. Das somit rotierende Feld des Ständers erzeugt durch die Ausrichtung der Permanentmagnete an dem elektrischen Feld eine Rotationsbewegung des Läufers.

Die Regelung der Drehzahl von permanentmagneterregten E-Maschinen wird in der Regel über die Frequenz der Spannungsversorgung sichergestellt. Wird die Frequenz der Spannung erhöht, so erhöht sich ebenfalls die Drehzahl der E-Maschine. Soll die E- Maschine abgebremst werden, wird die Frequenz der Spannungsversorgung verringert, wodurch die Drehgeschwindigkeiten des elektrischen Feldes des Ständers und somit auch des Läufers langsamer werden.

Die Drehzahlregelung und somit die Bremsmomentregelung herkömmlicher Systeme ist daher abhängig von einer externen Spannungsversorgung. Bricht diese zusammen, so kann die Drehzahl der E-Maschine nicht geregelt werden, was besonders in

Situationen, in denen sich die Drehzahl durch eine externe Einwirkung erhöht, problematisch ist. Beispielsweise bei elektrisch betätigten Kupplungsaktuatoriksystemen ist eine Regelung des Bremsmomentes bei Abriss der Spannungsversorgung von hoher Wichtigkeit, da somit ein abruptes Schließen der Kupplung verhindert werden kann.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Bremsmomentregelung bereit zu stellen, die in Abhängigkeit der Drehzahl ein Bremsmoment auf den Läufer der E-Maschine ausübt, ohne dabei eine externe Spannungsversorgung zu benötigen.

Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gemäß des Hauptanspruchs gelöst.

Erfindungsgemäß besteht die Lösung der Aufgabe in einer Vorrichtung, die ein

Schaltelement aufweist, das im leitenden Zustand eine E-Maschine kurzschließt und somit ein Bremsmoment auf den Läufer der E-Maschine erzeugt wird. Das

Schaltelement wird dabei in Abhängigkeit der induzierten Spannung, die in der E- Maschine selbst erzeugt wird, gesteuert. Die induzierte Spannung wird dabei durch das rotierende Feld der Permanentmagneten in den Wicklungssträngen der E-Maschine hervorgerufen und ist somit abhängig von der Drehzahl des Läufers.

Somit ist es durch gesteuertes Schalten des Schaltelements möglich eine

drehzahlabhängige Regelung des Bremsmomentes zu erzielen, ohne dabei auf eine externe Energiezufuhr angewiesen zu sein. Dies stellt einen enormen

Sicherheitsgewinn dar, da eine steuerbare Bremsmomentregelung auch bei einem Ausfall der Spannungsversorgung gewährleistet ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

In einer vorteilhaften Ausführungsform schließt das Schaltelement im leitenden Zustand die Motorphasen der E-Maschine vorzugsweise gegen Masse, Spannungsversorgung oder gegeneinander kurz.

In vorzuziehenden Ausführungsformen ist das Schaltelement dazu konfiguriert im leitenden Zustand die Motorphasen der E-Maschine gegen Masse, die

Spannungsversorgung oder gegeneinander kurzzuschließen. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird ein Sperrelement, das die Funktion eines Gleichrichters übernimmt, dazu verwendet, die induzierte Spannung, die in der E- Maschine erzeugt wird, gleichzurichten.

Weiterhin ist vorzugsweise ein Verzögerungsglied vorgesehen, das dazu dient eine Eingangsspannung U _e so gezielt zu übertragen, dass die Ausgangsspannung U _a des Verzögerungsgliedes als Steuerspannung für ein Schaltelement besser eingesetzt werden kann. Um dieses zu erreichen wird die Eingangsspannung U _e durch das Verzögerungsglied verzögert und/oder geglättet.

Das Verzögerungsglied ist dabei vorzugsweise als PT1 -Glied ausgeführt. Eine einfache Form eines verwendbaren PT1 -Gliedes ist dabei ein RC-Glied, bestehend aus einem Widerstand und einem Kondensator.

Somit stellt vorzugsweise die Ausgangsspannung des Verzögerungsgliedes die Steuerspannung für das Schaltelement dar.

Da das System lediglich bei Ausfall der angelegten Spannung eine drehzahlabhängige Bremsmomentregelung auszuführen hat, ist die Vorrichtung vorzugsweise so konfiguriert, dass die Steuerung des Schaltelements, in Abhängigkeit der induzierten Spannung, nur bei einem Ausfall der Spannungsversorgung aktiv ist. Dies wird durch das Anlegen der Spannungsversorgung an das System sichergestellt, da von der E- Maschine lediglich Strom induziert werden kann, wenn keine Spannung aus der Spannungsversorgung anliegt. Somit wird gewährleistet, dass die

Bremsmomentregelung bei angelegter Spannungsversorgung nicht eingreifen kann.

Vorzugsweise ist weiterhin nach der Gleichrichtung der induzierten Spannung, die in der E-Maschine erzeugt wird, eine Spannungsbegrenzungseinrichtung wie

beispielsweise eine Z-Diode angeordnet. Damit können eventuell auftretende zu hohe Spannungsspitzen, die Elemente des Regelkreises beschädigen könnten, vermieden werden. Zudem wird die Steuerung des Schaltelements vorzugsweise über dessen Hysterese, die durch einen ersten Schwellenwert Usc und einen zweiten Schwellenwert Uso, der kleiner ist als der erste Schwellenwert Usc, gekennzeichnet ist, realisiert. Erreicht die Ausgangsspannung des Verzögerungsglieds den ersten Schwellenwert Usc, so schließt das Schaltelement und schließt somit die E-Maschine kurz, wodurch ein Bremsmoment erzeugt wird. Unterschreitet die Ausgangsspannung U _a den zweiten Schwellenwert Uso, so öffnet das Schaltelement und beendet den kurzgeschlossenen Zustand der E- Maschine.

Die beiden Schwellenwerte Usc und Uso können in einer vorteilhaften Ausführungsform durch eine Schwellenwertsteuerung, die Bestandteil des Schaltelements ist, an die jeweiligen Erfordernisse angepasst werden. Auf diese Weise ist es möglich, das über einen gewissen Zeitraum gemittelte Bremsmoment einzustellen und somit eine stärkere beziehungsweise geringere Drehzahlreduzierung zu erreichen und ebenfalls ein

Abbremsen des Läufers bis zum Stillstand zu realisieren.

Vorzugsweise wird die Erfindung in einem elektrisch betätigten

Kupplungsaktuatoriksystem verwendet, um das schnelle Schließen der Kupplung bei einem Abriss der Spannungsversorgung durch die Bremsmomentregelung verhindert werden kann.

Im Folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung anhand der beigefügten

Figuren näher beschrieben. Sie zeigen:

Fig. 1 Schematischer Aufbau einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 2 Diagramm zur Erläuterung der Funktionsweise der Erfindung durch die

Darstellung der Zusammenhänge zwischen der Eingangsspannung, der Ausgangsspannung und der Drehzahl der E-Maschine.

Die erläuterte Ausführungsform der Erfindung ist dazu konfiguriert, die Drehzahl einer E-Maschine nach einem Spannungsabfall in einem festgelegten Korridor zu halten, obwohl der E-Maschine durch externe Einwirkung Energie zugeführt wird und somit die Drehzahl der E-Maschine sich ohne die Bremsmomentregelung erhöhen würde. Ein Anwendungsbeispiel dieses Szenarios wäre beispielsweise, der

Energieversorgungsausfall eines E-maschinen-betriebenen Fahrzeugs, das bergab fährt.

Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau dieser Ausführungsform der Erfindung. Eine Spannungsversorgung 6 ist vorgesehen, und versorgt drei Motorphasen 1 einer E- Maschine 3 mit Spannung. Ein Schaltelement 2 schließt in Abhängigkeit von einer Ausgangsspannung U _a eines vorgeschalteten Verzögerungsgliedes 5, bestehend aus einem Widerstand R und einem Kondensator C, die E-Maschine 3 kurz, indem es eine elektrische Verbindung zwischen E-Maschine und Masse 7 herstellt. Eine

Eingangsspannung U _e liegt an dem Verzögerungsglied 5 an. Ein Sperrelement 4 ist zur Gleichrichtung der von der E-Maschine induzierten Spannung vorgesehen.

Wird die Spannungsversorgung 6 unterbrochen, wird von den Phasen 1 der E- Maschine 3 eine Spannung induziert. Diese Spannung wird im Sperrelement 4 gleichgerichtet und liegt anschließend an dem Verzögerungsglied 5 an. Aufgrund des Übertragungsverhaltens des Verzögerungsgliedes 5 in Form eines PT1 -Glieds, läuft die Ausgangsspannung U _a des Verzögerungsglieds 5 der Eingangsspannung U _e hinterher und ist geglättet.

Fig. 2 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung der Funktionsweise der Erfindung, durch die Darstellung der Zusammenhänge zwischen der Eingangsspannung U _e , der

Ausgangsspannung U _a und der Drehzahl n der E-Maschine. Die Erläuterung der ersten Ausführungsform der Erfindung wird anhand der Betrachtung beider Figs 1 und 2 vorgenommen.

Bricht die Spannungsversorgung des Systems zusammen, und unterliegt die E- Maschine 3 gleichzeitig einer externen Energiezufuhr, erhöht sich die Drehzahl der E- Maschine 3. Somit erhöht sich ebenso die von der E-Maschine 3 induzierte Spannung, wodurch die Eingangsspannung U _e und, verzögert durch das Verzögerungsglied 5, die Ausgangsspannung U _a ansteigen. Erreicht U _a einen definierten Schwellenwert Usc schließt sich das Schaltelement und stellt somit eine elektrische Verbindung zwischen der E-Maschine 3 und der Masse 7 her. Die Spannung zur Regeleinrichtung geht gegen Null und durch das somit erzeugte Bremsmoment sinkt die Drehzahl des Motors.

Durch das Verzögerungsglied 5 wird in Abhängigkeit der Kapazität des Kondensators und der Größe des Widerstandes im RC-Glied die Spannung über einen definierten Zeitraum abgebaut, bis die Ausgangsspannung L) _a einen vorher festgelegten unteren Schwellenwert Uso erreicht und das Schaltelement 2 daraufhin die elektrische

Verbindung zwischen Masse 7 und E-Maschine 3 wieder trennt. Das Bremsmoment geht gegen Null und die Drehzahl der E-Maschine nimmt wieder zu, während die Eingangsspannung U _e sprunghaft ansteigt. Dieser Vorgang wiederholt sich, wodurch die Drehzahl in einem gewünschten Korridor gehalten werden kann. Durch die

entsprechende Auswahl von Wiederstand und Kapazität kann das durchschnittlich anliegende Bremsmoment im Voraus auf das Gesamtsystem eingestellt werden.

In einer anderen Ausführungsform kann die Vorrichtung im Falle eines

Zusammenbruchs der Spannungsversorgung dazu eingesetzt werden, die Drehzahl der E-Maschine 3 durch das Aufbringen eines Bremsmoments gezielt zu verringern. Der Aufbau des Systems ist dabei grundsätzlich der Gleiche wie im oben ausgeführten Ausführungsbeispiels, außer, dass das Schaltelement 2 eine Schwellenwertsteuerung aufweist, die die Schwellenwerte Usc und Uso verändern kann.

Anders als im zuvor ausgeführten Beispiel erhöht sich nach Spannungsabfall aufgrund der fehlenden externen Einwirkung nicht die Drehzahl n der E-Maschine 3, sondern bleibt, abzüglich kleinerer Reibungsverluste und Ummagnetisierungsverluste der Wicklungen, in guter Näherung konstant.

Durch die konstante Drehzahl n wird dennoch, wie in der obigen Ausführungsform, eine Spannung in den Wicklungen induziert. Somit wird auch hier der Schwellenwert Usc von der Ausgangsspannung U _a erreicht und die E-Maschine kurzgeschlossen. Analog zur obigen Ausführung wird ein Bremsmoment auf den Läufer erzeugt und somit die Drehzahl n reduziert. Sinkt die Ausgangsspannung U _a auf den unteren Schwellenwert Uso, hebt das Schaltelement den kurzgeschlossenen Zustand wieder auf und das Bremsmoment am Läufer geht gegen Null, wodurch die Drehzahl n sich wieder stabilisiert und in der Folge konstant bleibt, allerdings auf einem niedrigeren Niveau als vor dem ersten Schließen des Schaltelements.

Daraufhin liegt wieder die in den Wicklungen induzierte Spannung am

Verzögerungsglied an, wodurch die Eingangsspannung U _e sprunghaft und die

Ausgangsspannung U _a verzögert ansteigen. Da nun aufgrund der niedrigeren Drehzahl die Eingangsspannung l) _e geringer ist als vor dem ersten Schließen des

Schaltelements, dauert es länger bis der Kondensator C des Verzögerungsgliedes 5 geladen ist und folglich auch bis die Ausgangsspannung U _a den oberen Schwellenwert Usc erreicht und somit bis das Schaltelement 2 sich ein zweites Mal schließt.

Damit dieser Effekt verhindert wird und keine zeitliche Verzögerung auftritt, wird der obere Schwellenwert nach unten angepasst und somit früher ein Schließen des

Schaltelements ausgelöst. Diese Einstellung wird von der Schwellenwertsteuereinheit vorgenommen, die in dieser Ausführungsform Bestandteil des Schaltelements ist.

Analog dazu wird ebenso der untere Schwellenwert Uso herabgesetzt um weiterhin die gleiche Entladedauer des Kondensators des Verzögerungsglieds 5 und damit die gleiche Dauer des anliegenden Bremsmoments sicher zu stellen.

Durch Veränderung der Schwellenwerte ist es also wie gezeigt möglich, die Intensität der über einen Zeitraum gemittelten Drehzahlreduzierung der E-Maschine variabel einzustellen und ebenso ein Abbremsen bis zum Stillstand zu realisieren. Diese

Einstellung der Schwellenwertsteuereinheit wird in Abhängigkeit vom Bremsbefehl des Benutzers vorgenommen.

Es wird also eine Vorrichtung zur drehzahlabhängigen Bremsmomentregelung für permanentmagneterregte E-Maschinen offenbart, wobei ein Schaltelement 2, bei einer Unterbrechung der Spannungsversorgung 6 in Abhängigkeit der induzierten Spannung der E-Maschine 3, die E-Maschine 3 gezielt kurzschließt und somit ein Bremsmoment auf den Läufer der E-Maschine 3 erzeugt. Unterschreitet die induzierte Spannung einen definierten Wert, hebt das Schaltelement 2 den kurzgeschlossenen Zustand der E- Maschine 3 auf, wodurch das Bremsmoment gegen Null geht und die Drehzahl nicht verringert wird. Durch ein abwechselndes Öffnen und Schließen des Schaltelements 2 kann somit die Drehzahl n gezielt gedrosselt werden oder im Falle einer externen Einwirkung auf die E-Maschine, wie im ersten Ausführungsbeispiel, in einem festgelegten Korridor gehalten werden.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Motorphasen

2 Schaltelement

3 E-Maschine

4 Sperrelement

5 Verzögerungsglied

6 Spannungsversorgung 7 Masse

Ue Eingangsspannung Ua Ausgangsspannung Usc oberer Schwellenwert Uso unterer Schwellenwert n Drehzahl E-Maschine