Die Erfindung betrifft einen elektromotorischen Antrieb für ein Fahrzeug nach den Patentansprüchen 1 und 2.

Bei Kraftfahrzeugen kommen immer häufiger Elektromotoren zur Unterstützung des Antriebes (Hybridantrieb) oder als Hauptantrieb zur Anwendung. Solche elektromotorischen Antriebe benötigen ein sehr hohes Anlauf- und Drehmoment in beide Drehrichtungen. Ein elek¬ tronisch kommutierter PM-Motor verfügt über solche Voraus¬ setzungen. Ein mit Permanentmagneten bestückter Motor ist kostenauf¬ wendig in der Herstellung, und durch die Permanentmagnete in der Leistungsaufnahme begrenzt.

Aus der DE 102 15 126 Al ist ein Fahrantrieb für ein batte- rie-elektrisch angetriebenes Flurförderfahrzeug bekannt, bei dem als Fahrmotor ein Reluktanzmotor verwendet wird. Dieser Fahrmotor soll auch im Bremsbetrieb betreibbar sein. Eine entsprechende Beschreibung für die technische Lösung des Bremsbetriebes ist aus dieser Schrift nicht entnehmbar.

Aus der WO 97/01 882 Al ist ein bürstenloser Elektromotor bekannt. Dieser weist einen Stator mit mehreren Ständerzäh¬ nen auf, die mit Spulen von Wicklungssträngen bewickelt sind. Der Rotor besteht aus einem Leitstückteil, das von einer feststehenden Spule erregt wird. Sowohl die Spulen des Ständers als auch die Erregerspule für den Rotor werden von einer elektronischen Steuereinrichtung mit Strom ver¬ sorgt, wobei die Erregerspule sowohl im Motor- als auch im Generatorbetrieb bestromt wird. Ein solcher Motor ist im engeren Sinn kein Reluktanzmotor. Aus der DE 199 19 684 Al ist ein Reluktanzmotor bekannt, dessen Rotor durch eine statorseitige Wicklung, die in Rei¬ he zu den elektronischen Schaltern der Kommutierungsschal¬ tung liegt, magnetisiert wird. Ausführungen, diese Konfigu- rationen auch im Bremsbetrieb zu nutzen, fehlen in dieser Schrift völlig.

Das Dokument von Müller: Elektris.che Fahrzeugantriebe, 1960, S. 44, 45 beschreibt, daß ein Reihenschlußmotor beim Nutzbremsen ein instabiles Verhalten zeigt, und als Abhilfe wird die Fremderregung der Feldwicklung in diesem Betriebs¬ zustand mittels eines Erregerumformers oder einer Batterie oder einer Zuglichtmaschine vorgeschlagen.

Das Dokument von SenGupta, S.; Bhadra, S.N.; Chattopadhyay, A.K. : „An inverter-fed-self-controlled λbrushless' DC se- ries motor with the field winding in the DC link", Proceed- ings of the 1996 International Conference on Power Elec¬ tronics, Drives and Energy Systems for Industrial Growth, 1996, Volume: 1, 8-11 Jan. 1996 Pages: 367-372 beschreibt einen elektronisch kommutierten Reihenschlußmotor, der ei¬ nen Ständer mit einer dreisträngigen Wicklung aufweist. Der Läufer trägt eine Erregerwicklung, und zur Kommutierung der Wicklungsstränge ist eine elektronische Steuereinrichtung vorhanden.

Das Dokument von W.A.M. Ghoneim, J.E. Fletcher and B.W. Williams: „Linear analysis of two-, three- and four-phase switched reluctance machines with variable pitched winding configurations", IEE Proc.-Electr. Power Appl., Vol. 150, No. 3, May 2003, S. 319-343 beschreibt einen Reluktanzmo¬ tor, der einen Ständer mit drei Wicklungssträngen aufweist, die auf sechs Ständerzähnen angeordnet sind und aus jeweils zwei Spulen bestehen, und der Läufer ist vierpolig ausge- bildet. Die Spulen der Wicklungsstränge umschlingen jeweils zwei Ständerzähne (z.B. Cl-Cl'', C4-C4' ...in Fig. 5a) . Die Wicklungsstränge werden entweder über drei unsymmetrische H-Brücken (Abschnitt 5.2.2a auf S.328), einer H-Brücke und zwei unsymmetrischen H-Brücken (Abschnitt 5.2.2b) oder zwei H-Brücken und einer unsymmetrischen H-Brücke angesteuert, und es werden entsprechend der Fig. 5a alle drei Wicklungs¬ stränge gleichzeitig an eine Stromquelle gelegt. Fig. 6a zeigt einen Ständer an denen eine dreisträngige Wicklung als Durchmesserwicklung angeordnet ist. Auch hier werden entsprechend der Fig. 6a alle drei Wicklungsstränge gleich¬ zeitig an eine Stromquelle gelegt. Von Nachteil bei einer derartigen Auslegung des Reluktanz- rαotors ist besonders die aufwendige Beschaltung der Wick¬ lungsstränge.

Das Dokument von Jin-Woo Ahn, Seok-Gyu Oh, Jae-Won Moon, Young-Moon Hwang: „A Three-Phase Switched Reluctance Motor With Two-Phase Excitation", IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, Vol. 35, No. 5, September/October 1999, S. 1067-1075 beschreibt einen Reluktanzmotor, bei dem der Ständer sechs Ständerzähne aufweist und um jeden Ständer¬ zahn ist eine Spule der dreisträngigen Ständerwicklung an¬ geordnet, und den Wicklungssträngen ist eine Brückenschal¬ tung zugeordnet, wobei die Wicklungsstränge in eine Stern- Schaltung gehalten sind. Die Ständerwicklung wird über eine Halbbrückenschaltung so angesteuert, daß während des Motor¬ betriebes jeweils an zwei nebeneinander liegenden Ständer¬ zähnen ein gleichstarkes Polfeld erzeugt wird, wobei die Polfelder jeweils zueinander ungleichnamige Polfelder auf- weisen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektromo¬ torischen Antrieb für ein Fahrzeug zu schaffen, der mittels entsprechender Anordnung der Wicklungsstränge am Ständer eine hohe Energiedichte an den Ständerzähnen aufweist und jeweils am gesamten Läuferumfang ein Drehmoment vorhanden ist, und der ein hohes Anlauf- und Drehmoment in beide Drehrichtungen bei einem kontinuierlichen Drehmoment in je¬ der Läuferstellung einer Läuferumdrehung erzielt, und womit die Bremsenergie des Motors über die elektronische Steuer¬ einrichtung des Motors in die Stromquelle gespeist wird.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 2 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die erfindungsgemäße Lösung hat die Vorteile, daß ein elek¬ tromotorischer Antrieb für ein Fahrzeug geschaffen wurde, bei der die Spulen der Wicklungsstränge am Ständer so ange- ordnet sind, daß eine hohe Felddichte bei jedem Läufer¬ schritt an den jeweiligen Ständerzahnen erzielt wird und am gesamten Läuferumfang ein hohes gleichmäßiges Drehmoment in jeder Läuferstellung einer Läuferumdrehung vorhanden ist. Ein solcher elektromotorischer Antrieb zeichnet sich wei- terhin durch ein ruhiges Laufverhalten bei geringer Ge¬ räuschentwicklung aus, und findet vorteilhaft als Hybridan¬ trieb oder als Hauptantrieb Anwendung, wobei das Bremsmo¬ ment über eine elektronische Steuereinrichtung feinfühlig einstellbar ist und die Bremsenergie in die Stromquelle ge- speist wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.

Dabei zeigt:

Fig. 1 in axialer Draufsicht eine Darstellung vom Ständer und Läufer eines Reluktanzmotors, Fig. 2 in axialer Draufsicht eine Darstellung vom Ständer und Läufer eines weiteren Reluktanzmotors, Fig. 3 in axialer Draufsicht eine Darstellung vom Ständer und Läufer eines Reihenschlußmotors, Fig. 4 und 5 in axialer Draufsicht Darstellungen vom Stän¬ der und Läufer weiterer Reihenschlußmotoren, Fig. 6,7 u.8 Schaltungsanordnungen der elektronischen Steu¬ ereinrichtung zur Kommutierung des Reluktanzmotors und des Reihenschlußmotors.

Fig. 1 zeigt in axialer Draufsicht eine Ansicht eines Re- luktanzmotors einer besonderen Art mit den Strängen 1,2,3 der Feldwicklung am Ständer 4 und mit einem achtpoligen Läufer 5 an der Welle 6. Der Ständer besitzt bei einer vierpoligen Auslegung der Wicklungsstränge 1,2,3 zwölf zum Läufer 5 gerichtete Ständerzähne 7, und die Wicklungssträn- ge beinhalten jeweils vier Spulen, die jeweils mit a,b,c,d gekennzeichnet sind. Die Spulen der Wicklungsstränge um¬ schlingen jeweils drei Ständerzähne 7, wobei die vier Spu¬ len eines Wicklungsstranges nebeneinander am Ständer ange¬ ordnet sind, indem die eine Spulenseite einer Spule und die eine Spulenseite der benachbarten Spule sich jeweils in ei¬ ner gemeinsamen Nut befinden. Die Wicklungsstränge werden einerseits derart an eine Stromquelle gelegt, daß eine Polbildung zum Läufer hin je¬ weils an jedem dritten Ständerzahn 7 erfolgt, indem das Feld der Spulen a,b,c,d von zwei Wicklungssträngen sich je¬ weils zu zweidrittel überlagert, wozu dem Reluktanzmotor eine standardgemäße Schaltungsanordnung der elektronischen Steuereinrichtung für einen Reluktanzmotor zugeordnet ist. Fig. 1 zeigt die mit N und S dargestellte Polbildung am Ständer bei der Anlegung der Wicklungsstränge 2 und 3 an einer Stromquelle. Durch eine solche Anordnung der Wick¬ lungsstränge am Ständer wird eine sehr hohe Energiedichte an den jeweiligen Ständerzähnen und ein gleichmäßiges Dreh¬ moment während einer Läuferumdrehung erzielt und eine gute Kühlung der Spulen über die Wickelköpfe erreicht, hierbei sollte der Motor mindestens vierpolig ausgelegt sein, und je nach Größe des Motors ist eine höhere Polpaarzahl zu wählen. Andererseits werden die Wicklungsstränge so an eine Strom- quelle gelegt, daß eine Polbildung zum Läufer hin jeweils an zwei benachbarten Ständerzähnen erfolgt, die jeweils ne¬ beneinander die gleiche Polbildung aufweisen, indem das Feld der Spulen a,b,c,d von zwei Wicklungssträngen sich je¬ weils zu eindrittel überlagert, und die Wicklungsstränge in eine Sternschaltung gehalten ist, wozu dem Reluktanzmotor eine Brückenschaltung der elektronischen Steuereinrichtung zugeordnet ist. Bei einer solchen Anlegung der Wicklungs¬ stränge an eine Stromquelle wird während der Kommutierung der Wicklungsstränge ein Kreisdrehfeld am Ständer gebildet, wobei an jedem Ständerzahn ein Drehmoment anliegt, und der Motor sich durch ein ruhiges und leises Drehverhalten aus¬ zeichnet.

Fig. 2 zeigt in axialer Draufsicht eine Ansicht des Reluk- tanzmotors, bei dem die Spulen a,b,c,d der Wicklungsstränge 1,2,3 jeweils zwei Ständerzähne 7 umschlingen, und der Zwi¬ schenraum von der einen Spule zu der nächsten Spule eines Wicklungsstrangs beträgt jeweils einen Ständerzahn, und die Wicklungsstränge sind in einer Sternschaltung gehalten, wo- bei die Polbildung zum Läufer hin jeweils an jedem Ständer¬ zahn erfolgt mit einer zentralen Polbildung der jeweiligen Polfelder. Die Polbildung ist mit N und S gekennzeichnet. Auch hier wird am Ständer während der Kommutierung der Wicklungsstränge mittels einer Brückenschaltung der elek- tronischen Steuereinrichtung ein Kreisdrehfeld gebildet. Bei dieser Anordnung der Spulen der Wicklungsstränge am Ständer erfolgt keine Überlagerung der Spulen a,b,c,d und während der Umschaltung von dem einen Läuferschritt zum nächsten Läuferschritt liegt an jedem Läuferzahn ein Dreh- moment an, Fig. 2 zeigt diese Läuferstellung. Die zentrale Polbildung der jeweiligen Polfelder ist mit einem x gekennzeichnet, wobei für den nächsten Läufer¬ schritt für die erneute zentrale Polbildung y die entspre¬ chende Polarisierung jeweils an dem jeweiligen Ständerzahn bereits vorhanden ist. Durch eine solche Anordnung der Spulen a,b,c,d der Wick¬ lungsstränge 1,2,3 am Ständer und der entsprechende Be- schaltung, wird ein hohes Anlaufmoment und ein gleichmäßi¬ ges Drehmoment bei jeder Läuferstellung einer Läuferumdre- hung erreicht, hierdurch wird ein ruhiges Laufverhalten des Motors erzielt.

Eine derartige Anordnung der Wicklungsstränge an einem Ständer bei einem Reluktanzmotor bewirkt eine sehr hohe Energiedichte an den jeweiligen Ständerzähnen, womit ein hohes Anlaufmoment und ein hohes Drehmoment am Läufer er¬ zielt wird, und somit kommt ein solcher Reluktanzmotor vor¬ teilhaft bei einem Fahrzeug zur Anwendung.

Ein Reluktanzmotor der zuvor beschriebenen Art entsprechend der Fig. 1 und 2 kann auch in Nebenschluß betrieben werden und kommt sowohl als Hybridmotor als auch für einen Haupt¬ antrieb für ein Fahrzeug zur Anwendung, indem der Läufer 5 mit einer entsprechenden Erregerwicklung versehen ist, die während des Bremsbetriebes über Schleifringe mit einem steuerbaren Erregerstrom versorgt wird, hierbei können die Spulen der Wicklungsstränge 1,2,3 auch lediglich jeweils nur einen Ständerzahn 7 umschlingen.

Einen Ständeraufbau nach den Fig. 1 und 2 mit der entspre¬ chenden Anordnung der Wicklungsstränge am Ständer für einen Reluktanzmotor kommt auch vorteilhaft bei einem Reihen¬ schlußmotor zur Anwendung. Fig. 3 und 4 zeigen jeweils einen solchen Reihenschlußmo¬ tor. Der Läufer 8 besitzt vier Läuferzähne 9, an denen die Spulen 10 der Erregerwicklung angeordnet sind, und die Spu¬ len 10 der Erregerwicklung umschlingen jeweils einen Läu- ferzahn. Die Erregerwicklung ist an Schleifringen ange¬ schlossen, die auf der Welle 11 des Läufers 8 angeordnet sind. Die Anordnung der Spulen a,b,c,d der Wicklungsstränge 1,2,3 für den Reihenschlußmotor entspricht der Anordnung der Spulen der Wicklungsstränge beim Reluktanzmotor, Fig. 1 u. 2, wobei die Wicklungsstränge bei einem Reihenschlußmo¬ tor stets in einer Sternschaltung gehalten ist. Wie in Fig. 3 dargestellt, umschlingen die Spulen a,b,c,d der Wick¬ lungsstränge 1,2,3 jeweils drei Ständerzähne 7, hierbei werden die Wicklungsstränge derart an eine Stromquelle ge- legt, daß sich die Spulen a,b,c,d jeweils zu einem Drittel überlagern und die in Fig. 3 dargestellte Polbildung am Ständer einnehmen. In der Fig. 4 umschlingen die Spulen a,b,c,d der Wicklungs¬ stränge 1,2,3 jeweils zwei Ständerzahne 7. Auch hier ent- spricht die Anordnung der Spulen der Wicklungsstränge der Anordnung der Spulen der Wicklungsstränge beim Reluktanzmo¬ tor, wobei keine Überlagerung der Spulen vorhanden ist, die Polbildung zum Läufer hin erfolgt jeweils an jedem Ständer¬ zahn. Die Wicklungsstränge des Reihenschlußmotors nach Fig. 3 und 4 werden stets so über eine Brückenschaltung be- stromt, daß ein Kreisdrehfeld am Ständer gebildet wird. Auch ein Reihenschlußmotor nach Fig. 3 und 4 zeichnet sich durch ein ruhiges leises Drehverhalten aus, und es wird ein sehr hohes Anlaufmoment und ein gleichmäßiges Drehmoment bei jeder Läuferstellung einer Läuferumdrehung erreicht.

Fig. 5 zeigt in axialer Draufsicht eine Ansicht eines wei¬ teren Reihenschlußmotors mit den Strängen 1,2,3 der Feld¬ wicklung am Ständer 4. Die Spulen der Wicklungsstränge um- schlingen hier jeweils einen Ständerzahn 7. Der Läufer 8 _ Q _ entspricht dem Läufer nach der Fig. 3 und 4. Auch hier sind die Wicklungsstränge in Stern geschaltet, wobei den Wick¬ lungssträngen eine Brückenschaltung der elektronischen Steuereinrichtung zugeordnet sind, und am Ständer wird ein Kreisdrehfeld gebildet.

Ein Reihenschlußmotor der zuvor beschriebenen Art entspre¬ chend der Fig. 3, 4 und 5 kann auch in Nebenschluß betrie¬ ben werden und kommt besonders vorteilhaft bei einem Hy- bridantrieb für ein Fahrzeug zur Anwendung, weil mit einem solchen Motor sehr hohe Bremsmomente erzielt werden, indem der Motorbetrieb aufgehoben und der Generatorbetrieb einge¬ leitet wird und eine Rückspeisung der Bremsenergie zur Stromquelle erfolgt.

Die zuvor beschriebenen Motoren können auch mit einer be¬ liebigen Polpaarzahl ausgelegt sein.

Die vorstehend aufgeführten Motoren der besonderen Art kön- nen mit der gleichen Schaltungsanordnung der elektronischen Steuereinrichtung betrieben werden.

Fig. 6, 7 und 8 zeigt eine Schaltungsanordnung der elektro¬ nischen Steuereinrichtung zur Kommutierung der Wicklungs- stränge des Reluktanzmotors oder des Reihenschlußmotors. Die Wicklungsstränge 1,2,3 sind jeweils mit dem einem Ende an einer transistorbestückten Halbbrücke 12 angeschlossen und mit dem anderen Ende sind die Wicklungsstränge in Stern geschaltet. Damit ein Fehlerfall an den Halbbrücken der elektronischen Steuereinrichtung oder im Motor schnell er¬ kannt werden kann, kann ein Meßshunt jeweils zwischen den Halbbrücken 12 und den Wicklungssträngen 1,2,3 geschaltet sein, oder an den Halbbrücken 12 befindet sich jeweils ein Potentialabgriff 13. Bei Erkennung eines Fehlerfalles an den Halbbrücken 12 oder im Motor durch die Steuereinheit 14 wird der Motor entweder mittels eines Relais 15 oder durch eine Kurzschließung der Stromquelle nach einer Sicherungs¬ einrichtung 16 mittels eines Thyristors 17 von der Strom¬ quelle getrennt. Für den Reluktanzmotors ist eine Kurz- Schließung der Stromquelle durch einen Thyristor bei einem Fehlerfall an der Brückenschaltung nicht erforderlich, da die Stromquelle sich unmittelbar über die Halbbrücken, bei einem Defekt der Halbbrücken, kurzschließen kann.

Im Einzelnen zeigt Fig. 6 eine Schaltungsanordnung für ei¬ nen Reluktanzmotor, wobei die Wicklungsstränge 1,2,3 in ei¬ ne Sternschaltung gehalten ist. Für den Bremsbetrieb und der Einspeisung des Bremsstroms in die Stromquelle ist der Läufer des Reluktanzmotors mit einer Erregerwicklung 18 versehen, die in Nebenschluß geschaltet ist, indem die Er¬ regerwicklung den Halbbrücken 12 parallel geschaltet ist und der Erregerwicklung 18 ein Transistor 19 nachgeschaltet ist. Mit dem Transistor 19 zur Steuerung des Erregerstroms der Erregerwicklung 18 ist ein feinfühliger Bremsbetrieb des Reluktanzmotors steuerbar, und der Bremsstrom wird über die Freilaufdioden der Halbbrücken 12 in die Stromquelle einge¬ speist. Fig. 7 zeigt eine Schaltungsanordnung für einen Reihen- schlußmotor. Die Erregerwicklung 20 des Läufers des Reihen¬ schlußmotors ist den Halbbrücken vorgeschaltet, und die Er¬ regerwicklung kann während eines Bremsbetriebes in Neben¬ schluß geschaltet werden, indem vor einer der Erregerwick¬ lung 20 nachgeschalteten Diode 21 zum Rückschluß der Strom- quelle ein Transistor 22 geschaltet ist und der Erreger¬ wicklung nach der der Erregerwicklung nachgeschalteten Dio¬ de 21 eine Freilaufdiode 23 parallel geschaltet ist. Mit dem Transistor 22 zur Steuerung des Erregerstroms für die Erregerwicklung ist ein feinfühliger Bremsbetrieb steu- erbar, und der Bremsstrom wird über die Freilaufdioden der Halbbrücken und der Freilaufdiode 23 der Erregerwicklung in die Stromquelle gespeist. Fig. 8 zeigt eine Schaltungsanordnung für einen Reihen¬ schlußmotor, der sowohl in Reihenschluß als auch in Neben- Schluß betrieben werden kann, indem vor einer der Erreger¬ wicklung 20 nachgeschalteten Diode 21 zum Rückleiter der Stromquelle ein Transistor 22 geschaltet ist und ein weite¬ rer Transistor 24 mit einer Freilaufdiode der Erregerwick¬ lung 20 nach der der Erregerwicklung nachgeschalteten Diode 21 parallel geschaltet ist. Mit einer solchen Schaltungsanordnung kann der Motor als Reihenschlußmotor oder als Nebenschlußmotor betrieben wer¬ den und eine Einspeisung in die Stromquelle während des Bremsbetriebes erfolgen.

Bei den zuvor vorgeschlagenen elektromotorischen Antrieben für ein Fahrzeug ist im Fehlerfall durch Trennung von der Stromquelle der Reluktanzmotor und der Reihenschlußmotor als Generator wirkungslos, und der Läufer dieser Motoren übt dann auch kein Bremsmoment aus, da der Läufer nicht mit Permanentmagneten belegt ist. Wohingegen ein Motor mit ei¬ nem Permanentmagneten bestückten Läufer auch dann noch ein Bremsmoment ausübt, wenn der Motor von der Stromquelle ge¬ trennt ist.

Zur Erkennung eines Fehlerfalles an den Halbbrücken oder im Motor können auch vorzugsweise Transistoren zum Einsatz kommen, bei denen eine Selbsterkennung der Funktionsfähig¬ keit der Transistoren in den Transistoren integriert ist, oder die Funktionsfähigkeit wird mit der Steuereinheit 15 überwacht.