DE10014982A1

DE10014982A1 - Geschaltete Reluktanzmaschine mit magnetisch arbeitenden Positionssensoren

Info

Publication number: DE10014982A1
Application number: DE10014982A
Authority: DE
Inventors: Axel Schumacher
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-03-25
Filing date: 2000-03-25
Publication date: 2001-10-11
Also published as: GB2365531A; GB2365531B; FR2806853A1; FR2806853B1; GB0107413D0

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Reluktanzmaschine, insbesondere in Form eines Motors in einem Kraftfahrzeug. Der Motor ist mit Sensoren zur Bestimmung des Winkels zwischen Rotor und Stator der Maschine vorgesehen, wobei die Sensoren aufgrund magnetischer Wirkungsweise das Positionssignal ermitteln. Zur Vermeidung bzw. Verminderung des Streufelds des Motors wird der Strom gezielt vor Erreichen des Ausschaltwinkels (THETA¶aus¶) jeweils verringert und die Verringerung nur insoweit durchgeführt, wie es notwendig ist, damit trotz verbleibendem Streu- bzw. Störfeld des Motors, der Sensor ein noch ausreichendes Positionssignal abgibt. DOLLAR A Vorteilhafterweise wird die Stromabsenkung im Bereich hoher Induktivität bei im Wesentlichen ausgerichteten Rotor- und Statorpolen (A-A, B-B) durchgeführt. Die Absenkung des jeweiligen Phasenstromes kann bei einer Reluktanzmaschine, die mit sechs Stator- und vier Rotorpolen ausgestattet ist, im Bereich von etwa 10 DEG vor dem eigentlichen Ausschaltwinkel der betreffenden Phase bei einem Absenkwinkel (THETA¶ab¶) vorgenommen werden. Als Sensoren können magnetoresistive Sensoren, wie AMR-Sensoren oder GMR-Sensoren, oder auch Hall-Sensoren verwendet werden.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer geschalteten Reluktanzmaschine, insbesondere in Form eines Motors im einem Kraftfahrzeug mit magnetisch wirkenden Positionssensoren, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.

Magnetoresistive Sensoren, sogenannte AMR-Sensoren, sind für die Positionserkennung bei bürstenlosen Motoren, also zur Erfassung der Rotorlage von Motoren, bekannt. Sie werden auch zur Winkelmessung bei anderen Aufgaben eingesetzt, wie beispielsweise als Lenkwinkelsensor. Dazu messen die magnetoresistiven Sensoren die Richung eines Magnetfelds, das in der Regel durch einen Sensormagneten erzeugt wird. Dieser Magnet sitzt bei Motoren, deren Rotorlage gemessen werden soll, üblicherweise auf dem Wellenende. Sein Magnetfeld dreht sich also mit dem Motor mit. Das Sensorelement selbst sitzt axial vor dem Wellenende und ist fest mit dem Motorgehäuse verbunden. Im Falle fehlender Streuflüsse vom Motor kann damit direkt aus der Messung der Magnetfeldrichtung des Sensormagneten die Rotorlage des Motors bestimmt werden.

Problematisch ist es jedoch deswegen, weil in der Tat auch der Motor selbst ein magnetisches Streufeld erzeugt. Die Felder des Motors und des Sensormagneten überlagern sich am Ort des Sensorelementes vektoriell und führen daher zu einer fehlerhaften Messung der Rotorlage. Die Höhe des Fehlers hängt entscheidend vom Verhältnis der Größen der beiden Felder zueinander ab.

Bei geschalteten Reluktanzmotoren hängt das vom Motor erzeugte Magnetfeld stark vom Strom, aber auch von der Rotorlage ab. Insbesondere bei hohen Strömen und bei zueinander ausgerichteten Polen des Rotors und der bestromten Phase ist das Motorfeld groß. Auch das Streu- und Störfeld der Maschine ist dann groß. Dadurch kann der Fehler der vom magnetoresistiven Sensor gemessenen Rotorlage unzulässig groß werden.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, trotz der Probleme mit den Streuflüssen und Störfeldern, die bei geschalteten Reluktanzmotoren auftreten, als Positionssensoren Sensoren verwenden zu können, die das Positionssignal auf magnetische Weise ermitteln.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäß geschaltete Reluktanzmaschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat gegenüber dem bekannten Stand der Technik den Vorteil, dass trotz auftretender Streufelder und Störfelder der geschalteten Reluktanzmaschine Sensoren verwendet werden können, die auf magnetischer Basis arbeiten.

Dazu wird bei der geschalteten Reluktanzmaschine gemäß der Erfindung prinzipiell zur Vermeidung bzw. Verminderung des Streufeldes der Maschine der Maschinenstrom gezielt vor Erreichen des Ausschaltwinkels jeweils verringert und die Verringerung wird dabei nur so weit durchgeführt, wie es notwendig ist, damit trotz verbleibendem Streu- bzw. Störfeld der Maschine der Sensor ein noch ausreichend genaues Positionssignal abgibt.

Durch die in den weiteren Ansprüchen niedergelegten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen geschalteten Reluktanzmaschine möglich.

Entsprechend einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung erfolgt die Stromabsenkung im Bereich hoher Induktivität, d. h. bei im Wesentlichen ausgerichteten Rotor- und Statorpolen.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung wird bei der erfindungsgemäß geschalteten Reluktanzmaschine, die mit sechs Stator- und vier Rotorpolen ausgestattet ist, die Absenkung des jeweiligen Phasenstroms im Bereich von etwa 10° vor dem eigentlichen Ausschaltwinkel der betreffenden Phase bei einem Abschaltwinkel vorgenommen. Die erfindungsgemäße Reluktanzmaschine wird vorteilhafterweise mit Stromregelung betrieben.

Die Erfindung ermöglich in vorteilhafter Weise, dass als Sensoren magnetoresistive Sensoren zur Verwendung vorgesehen sind. In vorteilhafter Weiterbildung können als solche sowohl anisotrope, sogenannte AMR-Sensoren, als auch giant-magnetoresistive Sensoren, sogenannte GMR-Sensoren, vorgesehen sein. In alternativer vorteilhafter Ausgestaltung dazu ist es auch möglich, dass als Sensoren Hall-Sensoren vorgesehen sind.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigen

Fig. 1 schematisch in Draufsicht Rotorpole und Pole der bestromten Statorphase in nicht ausgerichteter Lage;

Fig. 2 in schematischer Draufsicht Rotorpole und Pole der bestromten Phase 1 des Stators in ausgerichteter Anordnung;

Fig. 3 in einem Diagramm die normierte Flussverkettung ψ/ψ_max in Abhängigkeit vom normierten Phasenstrom I/I_max, wobei die Flussverkettung entsprechend verschiedener Rotorlagen in einer Kurvenschar angegeben ist, und

Fig. 4 ein Diagramm mit dem normierten Strom I/I_max über dem Rotorwinkel θ zur Darstellung der Stromabsenkung im Bereich hoher Induktivität bei ausgerichteten Stator- und Rotorpolen gemäß vorliegender Erfindung.

Beschreibung des Ausführungsbeispieles

In Fig. 1 ist in einer schematischen Draufsicht ein Stator 10 und ein Rotor 20 einer geschalteten Reluktanzmaschine, die mit sechs Stator- und vier Rotorpolen ausgestattet ist, in Form eines Motors dargestellt. Der Stator 10 enthält drei Polpaare 1-1, 2-2 und 3-3. Der Rotor 20 enthält vier Pole A-A und B-B. Die Pole 1 des Polpaares 1-1 sind jeweils mit einer Wicklung 11 umgeben. Alle Pole ragen von einem Statorring nach innen auf den Rotor vor. Die Wicklungen der Polpaare 2-2 und 3-3 sind nicht dargestellt. In der Darstellung der Fig. 1 sind die Rotorpole A-A gegenüber der bestromten Wicklung 11 mit den Statorpolen 1-1 nicht ausgerichtet. Vielmehr wird hier der nicht ausgerichtete Rotorwinkel θ von 45° erreicht. Fig. 1 zeigt also, dass die Rotorpole A-A und die Pole 1-1 der bestromten Phase 1 mit der Wicklung 11 nicht ausgerichtet sind, sondern dass zwischen ihnen ein Rotorwinkel von θ = 45° gegeben ist.

In Fig. 2 ist dieselbe schematische Darstellung in Draufsicht auf den Stator 10 und den Rotor 20 der in Fig. 1 gezeigten geschalteten Reluktanzmaschine dargestellt. Die beiden Pole 1-1 sind wiederum von der Wicklung 11 umgeben und die Pole A-A des Rotors 20 sind nunmehr mit den Polen 1-1 der bestromten Phase 1 ausgerichtet, so dass der Rotorwinkel θ zwischen den Polen A und 1 den Wert 0° aufweist. Somit sind gemäß dieser Darstellung die Rotorpole A-A mit den Polen 1-1 der bestromten Phase 1 entsprechend der bestromten Wicklung 11 miteinander ausgerichtet und der Rotorwinkel θ beträgt 0°.

In einer Kurvenschar gemäß Fig. 3 sind die verschiedenen Flussverkettungen in Abhängigkeit vom normierten Phasenstrom dargestellt, wobei die Rotorlage mit den verschiedenen Winkelwerten als Parameter fungiert. Diese Kurvenschar gilt für Rotorpositionen bei einem Motor mit sechs Stator- und vier Rotorpolen. Entsprechend dem Pfeil 30 wächst der Rotorwinkel q vom Wert 0° bis zum Wert 45° an. In der Darstellung der Fig. 3 ist die Flussverkettung in normierter Darstellung ψ/ψ_max über dem normierten Phasenstrom I/I_max aufgetragen. Die einzelnen Werte des Rotorwinkels θ sind an den verschiedenen Kurven der Kurvenschar vermerkt. Dabei sind die Pole bei 0° ausgerichtet und bei 45° nicht ausgerichtet.

Fig. 4 zeigt ein Diagramm des Phasenstroms und der Stromabsenkung gemäß der Erfindung. Dabei ist über den Rotorwinkel θ, der in Grad angegeben ist, der normierte Phasenstrom I/I_max angegeben. Bei einem Einschaltwinkel von θ_ein von 0° beginnt der Strom entsprechend einer Flanke 40 bis zum Maximalwert anzusteigen. Entlang eines gezackten Bereichs 41, der von der Taktung des Stromes herrührt, bleibt der Strom im Wesentlichen konstant auf dem maximalen Wert. Entlang einer abfallenden Kurve 42 wird, wie im dargestellten Beispiel zwischen dem Winkel θ = 31° und θ = 40° der Strom in der erfindungsgemäßen Weise abgesenkt. Der Stromverlauf folgt dabei der Kurve 42. Die Stromabsenkung selbst erfolgt innerhalb eines Bereichs 45 der durch den Doppelpfeil angegeben ist, welcher einen Bereich von etwa 10° umfassen kann. Dieser Bereich 45 liegt vor dem eigentlichen Ausschaltwinkel Raus der Bestromung der Phase. Die Bestromung der Phase ist durch den Doppelpfeil 44 angegeben und liegt zwischen dem Winkel θ_ein und θ_aus, im dargestellten Beispiel zwischen dem Wert 0° und 40°. Vom Ausschaltwinkel θaus bis zur nicht ausgerichteten Lage von 45° sinkt der Strom entlang der Kurve 43 auf den Wert 0 ab. Erfindungsgemäß ist also in den Bereich 44 der Bestromung der jeweiligen Phase ein Bereich 45 eingeschaltet, der vor dem Ausschaltwinkel θ_aus der jeweiligen Phase liegt. In diesem mit dem Absenkwinkel θ_ab beginnenden Bereich 45 wird der Strom um einen bestimmten und geeigneten Wert abgesenkt. Im dargestellten Beispiel wird der Strom auf die Hälfte des Maximalwerts abgesenkt, bevor er dann bei θ_aus ganz ausgeschaltet wird und entlang der Kurve 43 auf den Wert 0 absinkt. Vorteilhafterweise wird der geschaltete Reluktanzmotor in Stromregelung betrieben.

Die Größe des Bereichs 45 für die Stromabsenkung, die vor dem Ausschaltwinkel θ_aus der Phase erfolgt, hängt davon ab, ob der verwendete Sensor trotz des vorhandenen Stör- bzw. Streufeldes der als Motor eingesetzten geschalteten Reluktanzmaschine noch ein Positionssignal abgibt, das die Position eindeutig erkennen lässt. Die Einstellung kann zum einen durch die Größe der Stromabsenkung und zum anderen durch den Winkel θ_ab, d. h. wie groß der Abstand zum Ausschaltwinkel θ_aus ist, bestimmen.

Die erfindungsgemäße Stromabsenkung erfolgt im Bereich hoher Induktivität, also bei ausgerichteten Stator- 1-1, 2-2, 3-3 und Rotorpolen A-A und B-B. Stromabsenkung und Zeitpunkt bzw. Winkelposition der Absenkung ist entsprechend des benötigten Signals wählbar. Bei der Stromabsenkung selbst kann die sogenannte harte oder weiche Art der Taktung verwendet werden. Bei der harten Taktung werden beide Transistoren einer Phase abwechselnd ein- und ausgeschaltet, so dass sich eine gewünschte Stromform ergibt. Bei der weichen Taktung wird nur einer von zwei Schalttransistoren je Phase geschaltet.

Diese gemäß der Erfindung vorgesehene Stromabsenkung bei der Ansteuerschaltung des geschalteten Reluktanzmotors ermöglicht es, dass, trotz magnetischer Störfelder vom Motor her, Sensoren verwendet werden können, die auf magnetischer Arbeitsweise basieren. Als solche Sensoren fungieren magnetoresistive Sensoren, sogenannte anisotrope magnetoresistive Sensoren, die als AMR- Sensoren bekannt sind, und giant-magnetoresistive Sensoren, die als GMR-Sensoren bekannt sind. Alternativ und erweiternd dazu können auch Hall-Sensoren benutzt werden. Bei magnetoresistiven Sensoren wird die Richtung des Magnetfeldes ermittelt, bei Hall- Sensoren wird das Vorhandensein eines Magnetfelds senkrecht zum Leiter des Hall-Sensors detektiert. In beiden Fällen kann daraus die Position des Rotors gegenüber dem Stator ermittelt werden. Diese Position ist für die Steuerung der Schaltzeitpunkte der Stromzuführung bzw. Stromabschaltung zu den einzelnen Phasen beim geschalteten Reluktanzmotor von entscheidender Bedeutung. Die Sensoren sind im den Figuren nicht dargestellt.

Die Erfindung ermöglicht es somit in vorteilhafter Weise auf einfache Weise ohne große Änderung am Steuerverfahren des Motors, dass magnetoresistive Sensoren oder Hall-Sensoren für die Positionserfassung bei geschalteten Reluktanzmotoren anwendbar sind. Durch die Erfindung wird der schädliche Einfluss des Streufeldes des Motors auf das Sensorelement unterdrückt oder zumindest hinreichend verringert.

Claims

1. Geschaltete Reluktanzmaschine, insbesondere in Form eines Motors in einem Kraftfahrzeug, mit Sensoren zur Bestimmung des Winkels zwischen Rotor (20) und Stator (10) der Maschine, wobei die Sensoren aufgrund magnetischer Wirkungsweise das Positionssignal ermitteln, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung bzw. Verminderung des Streufeldes der Maschine der Maschinenstrom gezielt vor Erreichen des Ausschaltwinkels (θ_aus) jeweils verringert wird, und wobei die Verringerung nur soweit durchgeführt wird, wie es notwendig ist, damit trotz verbleibendem Streu- bzw. Störfeld der Maschine, der Sensor ein noch ausreichendes Positionssignal abgibt.

2. Geschaltete Reluktanzmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromabsenkung im Bereich hoher Induktivität, d. h. bei im wesentlichen ausgerichteten Rotor- (1-1, 2-2, 3-3) und Statorpolen (A-A, B-B) erfolgt.

3. Geschaltete Reluktanzmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Reluktanzmaschine, die mit sechs Stator- und vier Rotorpolen ausgestattet ist, die Absenkung des jeweiligen Phasenstromes im Bereich (45) von etwa 10° vor dem eigentlichen Ausschaltwinkel (θ_aus) der betreffenden Phase beim Absenkwinkel (θ_ab) vorgenommen wird.

4. Geschaltete Reluktanzmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine mit Stromregelung betrieben wird.

5. Geschaltete Reluktanzmaschine nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensoren magnetoresistive Sensoren vorgesehen sind.

6. Geschaltete Reluktanzmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als magnetoresistive Sensoren anisotrope, sogenannte AMR-Sensoren, oder giant-magnetoresistive Sensoren, sogenannte GMR-Sensoren vorgesehen sind.

7. Geschaltete Reluktanzmaschine nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensoren Hall-Sensoren vorgesehen sind.