專利名稱：電子換向式電機(jī)的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及一種例如在早些時(shí)候德國專利申請100 644 86.4中所述的電子換向式電機(jī)。在該文中，對電機(jī)的控制也進(jìn)行了詳細(xì)說明，這些說明也適用于這里提出的電子換向式電機(jī)，所以在本專利申請中不再對電機(jī)控制的細(xì)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)說明。
DE專利申請100 644 86.4所述的方法是專門針對電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置的測定的，以其結(jié)構(gòu)和控制方式而不能達(dá)到特別有利的使用形式。本次申請的內(nèi)容涉及這種電動(dòng)機(jī)作為汽車安全攸關(guān)的輔助驅(qū)動(dòng)器用的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的使用，特別是涉及電轉(zhuǎn)向助力器的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的使用。這種電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制滿足傳動(dòng)安全方面的諸多要求，這種傳動(dòng)預(yù)先考慮了電動(dòng)機(jī)在故障情況下可起這樣的作用，即它不產(chǎn)生損害汽車安全的力矩，特別是在汽車轉(zhuǎn)向操作情況下不產(chǎn)生制動(dòng)力矩。所以對本發(fā)明來說，使用電子換向式電機(jī)的原因也不首先是由于沒有電刷的無磨損和無維護(hù)的結(jié)構(gòu)，而是除了通過控制可影響小的力矩波動(dòng)外，特別是在電動(dòng)機(jī)控制的一個(gè)元件或電動(dòng)機(jī)本身發(fā)生故障時(shí)，特別是繞組短路時(shí)的控制可能性，這種短路產(chǎn)生的短路電流在額定電流的數(shù)量級內(nèi)并對傳動(dòng)產(chǎn)生危險(xiǎn)的力矩。特別是，這種故障可導(dǎo)致例如對電轉(zhuǎn)向助力器不只是轉(zhuǎn)向支持失效，而是甚至產(chǎn)生一個(gè)使汽車不能轉(zhuǎn)向的反作用力矩。
對這種使用場合的電子換向式電機(jī)的第一優(yōu)選結(jié)構(gòu)為一方面勵(lì)磁繞組的繞組相可通過一個(gè)半橋電路與直流電源連接，另一方面連接到一個(gè)可隔離的中性點(diǎn)上，以便在換向裝置的半導(dǎo)體開關(guān)失靈時(shí)斷開故障電流。從而可至少部分地獲得傳動(dòng)功率。對星形接線的勵(lì)磁繞組來說，在繞組短路情況下，雖然由于在驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)在故障繞組內(nèi)感應(yīng)的電壓不可能開斷而不可能切斷干擾量，但另一方面，在故障相的中性點(diǎn)隔離后，通過故障繞組產(chǎn)生的制動(dòng)力矩由于電動(dòng)機(jī)用剩余繞組的運(yùn)行而可至少部分地獲得補(bǔ)償，并由此保證了驅(qū)動(dòng)功率的至少部分的獲得。
本發(fā)明特別適用于換向裝置在用全橋電路時(shí)的電動(dòng)機(jī)的控制，其中勵(lì)磁繞組的各相可單獨(dú)連接在直流電源上。通過勵(lì)磁繞組各相的單獨(dú)控制，特別有利于保證既在換向裝置產(chǎn)生故障時(shí)又在勵(lì)磁繞組一相產(chǎn)生故障時(shí)的應(yīng)急運(yùn)行。換向裝置或繞組一相的故障在這里也產(chǎn)生一個(gè)制動(dòng)力矩。但由于兩個(gè)完好的相，即使干擾量未切斷，該制動(dòng)力矩也可補(bǔ)償。通過附加的措施即通過斷開換向裝置的一個(gè)單獨(dú)的有缺陷的支路，從而不論其他各相是否斷開，在半導(dǎo)體元件產(chǎn)生故障時(shí)，都可通過斷開有缺陷的相切斷干擾量，且電動(dòng)機(jī)可用其功率的2/3繼續(xù)運(yùn)行。在繞組的一相發(fā)生故障時(shí)，雖然也象繞組星形接線時(shí)那樣，不可能切斷干擾量，但由于只有一相發(fā)生故障，所以產(chǎn)生的制動(dòng)力矩的補(bǔ)償比繞組星形接線時(shí)要高些。
繞組各相的隔離可按特別有利的方式既在繞組各相星形接線時(shí)又在繞組各相通過一個(gè)全橋換向電路分別單獨(dú)連接時(shí)借助于存在的或附加的半導(dǎo)體開關(guān)特別是用MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明電動(dòng)機(jī)的其他細(xì)節(jié)和優(yōu)選方案可從三個(gè)實(shí)施例的以下說明中和從相應(yīng)的附圖中得知。
附圖表示

圖1一個(gè)配置了半導(dǎo)體開關(guān)的、連接到一個(gè)可隔離的中性點(diǎn)上的繞組相的轉(zhuǎn)換裝置；圖2和3分別為電子換向式電機(jī)的一種電路布置，該電機(jī)的繞組相單獨(dú)通過一個(gè)全橋換向裝置與一個(gè)直流電源連接，其中圖3的電路布置特別適用于MOSFET開關(guān)。
實(shí)施例在圖1中，用10表示一臺(tái)電子換向式電機(jī)的裝有永久磁鐵的轉(zhuǎn)子，其三相的勵(lì)磁繞組布置在定子中。繞組各相用12、14和16表示并通過MOSFET開關(guān)18、20、22呈星形接線。相電流I1、I2、I3流入繞組相12、14和16中，它們通過一個(gè)六脈沖半橋電路(也叫B6電路)進(jìn)行控制。換向裝置同樣通過MOSFET開關(guān)組成，這些開關(guān)分別用參考號24、26、28或30、32、34表示。同樣象星形接線的MOSFET開關(guān)18～22那樣，換向裝置的MOSFET開關(guān)24～34從一個(gè)電動(dòng)機(jī)控制器36獲得供電電壓和控制指令，該控制器連接在一個(gè)直流電源38和換向裝置的輸入端之間。
在定子內(nèi)具有勵(lì)磁繞組和一個(gè)帶永久磁鐵的轉(zhuǎn)子10的本發(fā)明電子換向式電機(jī)也叫做無電刷的直流電機(jī)(BLDC電機(jī))。這種電機(jī)包括它的控制已在前面提到的DE 100 644 86.4中進(jìn)行了十分詳細(xì)的說明，而且原則上也是眾所周知的。所以在本申請中不再全面重復(fù)說明該電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制，而只對它作為汽車安全攸關(guān)的輔助驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)使用，最好作為汽車電動(dòng)轉(zhuǎn)向的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)使用的主要部分和電路特點(diǎn)即在半導(dǎo)體或繞組發(fā)生故障時(shí)的隔離措施和可能性進(jìn)行說明。
在圖1所示電路布置時(shí)，在無故障運(yùn)行情況下，MOSFET開關(guān)18、20、22接通并構(gòu)成繞組相12、14、16的中性點(diǎn)。相電流I1、I2、I3的大小和變化通過MOSFET開關(guān)24、26、28以及30、32和34由一個(gè)從電動(dòng)機(jī)控制器36開始的脈沖寬度調(diào)制進(jìn)行調(diào)節(jié)。在這種情況下，相應(yīng)的相電流I1、I2、I3通過中性點(diǎn)和通過三個(gè)測量用電阻40、42、44通到直流電源38的負(fù)極。
在電動(dòng)機(jī)無故障運(yùn)行的情況下，三個(gè)MOSFET開關(guān)18、20和22接通并確定勵(lì)磁繞組的中性點(diǎn)。相電流I1、I2、I3通過電動(dòng)機(jī)控制器36確定，其中例如相電流I1在節(jié)拍MOSFET開關(guān)24時(shí)用通過該節(jié)拍預(yù)先給定的過程通過導(dǎo)通的MOSFET開關(guān)32和電阻42回到直流電壓源的負(fù)極?？蛰d電路在由該節(jié)拍引起的電流間歇中通過繞組相12和14以及兩個(gè)MOSFET開關(guān)30和32接通。在這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)，開關(guān)32導(dǎo)通，在MOSFET開關(guān)30時(shí)，或通過集成的反向二極管進(jìn)行無源空載運(yùn)行，或通過在MOSFET開關(guān)24的電流閉合間隔內(nèi)的脈動(dòng)式接通進(jìn)行有源空載運(yùn)行。相電流I2和I3進(jìn)行相應(yīng)控制。
電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)的故障可能特別是由于換向裝置的半導(dǎo)體開關(guān)之一的故障或由于繞組相之一的繞組短路所引起。例如在MOSFET開關(guān)24熔成合金時(shí)，由于通過電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)在繞組相12、14和16中感應(yīng)的電壓，電流流經(jīng)MOSFET開關(guān)26和28的反向二極管并產(chǎn)生一個(gè)制動(dòng)力矩，該制動(dòng)力矩在汽車中用電動(dòng)轉(zhuǎn)向助力器傳動(dòng)的情況下實(shí)際上導(dǎo)致汽車的不轉(zhuǎn)向。與此相反，通過用MOSFET開關(guān)18隔離繞組相12、14、16的中性點(diǎn)提供了本發(fā)明的補(bǔ)救措施。這樣，干擾量被切斷，而且即使用減少的功率也能保持傳動(dòng)功能完好。例如在繞組相16產(chǎn)生繞組短路時(shí)，由于感應(yīng)電壓產(chǎn)生一個(gè)制動(dòng)力矩，但這時(shí)通過隔離繞組中性點(diǎn)不可能切斷干擾量，在這種干擾情況中可提供這樣一種補(bǔ)救辦法，即通過用MOSFET開關(guān)18～22隔離中性點(diǎn)可至少補(bǔ)償一個(gè)制動(dòng)力矩，該制動(dòng)力矩在汽車轉(zhuǎn)向助力器用電動(dòng)機(jī)的情況下抵消汽車司機(jī)的轉(zhuǎn)向力，從而仍保持沒有支持的轉(zhuǎn)向作用。
圖2同樣表示一個(gè)在定子中具有三相勵(lì)磁繞組和永磁勵(lì)磁轉(zhuǎn)子的電子換向式電機(jī)的電路布置。所以與圖1相同的部分仍沿用相同的附圖標(biāo)記。與圖1電路布置不同的是，圖2用半導(dǎo)體開關(guān)46～68組成的一個(gè)全橋電路(也叫做3H電路)來進(jìn)行繞組相12、14和16的換向。為此，繞組各相可單獨(dú)連接在直流電壓源38上并可與它分開，從而比在圖1電路布置時(shí)達(dá)到故障補(bǔ)償?shù)母嗟目赡苄裕瑸榱死@組相的單獨(dú)控制，在全橋電路時(shí)，原則上需要三個(gè)現(xiàn)成的單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)器以代替一個(gè)共同的B6橋式驅(qū)動(dòng)器。此外，在圖2所示電路布置時(shí)，由于換向間隔內(nèi)的空載電流，如果該空載電流通過相應(yīng)配置的、用節(jié)拍頻率接通的MOSFET開關(guān)控制，則通過一個(gè)有源的空載運(yùn)行也可明顯減少損失，在這種情況下，例如在由MOSFET開關(guān)46產(chǎn)生節(jié)拍的相電流I1時(shí)，MOSFET開關(guān)58相應(yīng)地根據(jù)節(jié)拍頻率接通電流間隔，因此，繞組相12的空載電流可通過在這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)持續(xù)接通的MOSFET開關(guān)60和按節(jié)拍接通的MOSFET開關(guān)58進(jìn)行補(bǔ)償。在這里，MOSFET開關(guān)的節(jié)拍可相似于圖1MOSFET開關(guān)的節(jié)拍這樣選定，即產(chǎn)生要求的電流波形，以便把力矩波動(dòng)性減小到最低限度。
如果在圖2所示電路布置時(shí)例如在MOSFET開關(guān)46中產(chǎn)生故障，并由于這個(gè)故障使該開關(guān)持續(xù)導(dǎo)通，則有一個(gè)電流通過該開關(guān)和繞組相12以及MOSFET開關(guān)48的反向二極管，該電流在驅(qū)動(dòng)裝置中引起一個(gè)制動(dòng)力矩。于是，全橋電路提供了補(bǔ)償該制動(dòng)力矩的可能性而不需要切斷干擾量，因此驅(qū)動(dòng)器用其功率的一部分就可通過兩個(gè)沒有故障的繞組相14和16繼續(xù)運(yùn)行。
如果產(chǎn)生的繞組短路故障例如出現(xiàn)在繞組相12中，則不可能切斷干擾量，并產(chǎn)生一個(gè)制動(dòng)力矩。但由于只涉及一相和電動(dòng)機(jī)的另外兩相沒有故障，所以產(chǎn)生的制動(dòng)力矩可通過兩個(gè)完好的繞組相這樣補(bǔ)償，即仍然保持沒有支持的轉(zhuǎn)向作用。
圖3的電路布置與圖2的大致相當(dāng)，所以相關(guān)部分不再說明。圖2和3的相同部分用相同的附圖標(biāo)記表示。與圖2電路布置不同的是，這里的繞組相12、14和16不是直接地接入全橋換向電路的并聯(lián)電路中，而是在繞組相12、14和16的兩端，分別設(shè)置一個(gè)附加的MOSFET開關(guān)70、72；74、76；78、80，這兩個(gè)對應(yīng)每個(gè)繞組相的附加的半導(dǎo)體開關(guān)用相反的導(dǎo)通方向接入該并聯(lián)電路中。依此方式，特別是在用MOSFET半導(dǎo)體開關(guān)時(shí)，便可用其集成的反向二極管隔離任一個(gè)單獨(dú)的電橋臂，并由此隔離相應(yīng)的繞組相。這種隔離方式代替了圖1電路布置的中性點(diǎn)隔離。
如果在圖3所示電路布置時(shí)又是在MOSFET開關(guān)46中產(chǎn)生故障，并由于這個(gè)故障使該開關(guān)持續(xù)導(dǎo)通，則不再可能有故障電流通過繞組相12和MOSFET開關(guān)48的反向二極管，因?yàn)檫@個(gè)電路被中間連接的、不導(dǎo)通的MOSFET開關(guān)70斷開。這也適用于換向裝置的其他MOSFET開關(guān)發(fā)生故障。亦即用圖3電路布置的附加措施，MOSFET全橋電路可斷開電橋并聯(lián)電路中的附加的半導(dǎo)體開關(guān)70到80，并由此切斷干擾量，所以不再可能產(chǎn)生制動(dòng)力矩，因而例如可對汽車的助力轉(zhuǎn)向提供較高的功率。
如果產(chǎn)生的繞組短路故障例如存在于繞組相12中。則雖然不可能通過半導(dǎo)體開關(guān)70和72的開斷來切斷干擾量并產(chǎn)生一個(gè)制動(dòng)力矩，但由于電動(dòng)機(jī)的其他兩相沒有故障，所以仍可保持沒有支持的轉(zhuǎn)向作用。
亦即在汽車中作為電動(dòng)轉(zhuǎn)向助力器的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的上述使用場合中。確保了電動(dòng)機(jī)在故障情況下可產(chǎn)生這樣的作用，即對轉(zhuǎn)向不作用制動(dòng)力矩并至少保證了不通過轉(zhuǎn)向助力器支持的轉(zhuǎn)向運(yùn)行。汽車中的安全攸關(guān)的輔助驅(qū)動(dòng)器的其他應(yīng)用例如有電制動(dòng)器或電動(dòng)加速踏板，對這些使用場合，作為驅(qū)動(dòng)裝置同樣可用在轉(zhuǎn)子中帶永久磁鐵的電子換向器電機(jī)。
所以本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)電路既在帶可隔離中性點(diǎn)的半橋電路形式中又可在換向用的全橋電路形式中開斷故障電流，該故障電流產(chǎn)生一個(gè)與規(guī)定的驅(qū)動(dòng)方向反作用的力矩。全橋電路的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是，每相都可單獨(dú)控制，從而在一個(gè)輸出級發(fā)生故障的情況下產(chǎn)生的制動(dòng)力矩可通過另外兩個(gè)電橋臂抵消并可進(jìn)行應(yīng)急運(yùn)行。此外，在全橋電路時(shí)，也可補(bǔ)償一個(gè)繞組相的繞組矩路，在半橋電路的中性點(diǎn)隔離時(shí)，可至少抑制反作用力矩的一部分。此外，在全橋電路時(shí)，電流信號可直接分配到相應(yīng)的相，因?yàn)槊肯喽伎煞珠_測量，而且相電流的曲線形狀可對每相分開調(diào)節(jié)而不需要額外花費(fèi)，從而明顯提高了故障情況下的補(bǔ)償可能性。
在這些實(shí)施例中，換向裝置分別在用MOSFET開關(guān)作為半導(dǎo)體元件的情況下進(jìn)行了說明。這種MOSFET開關(guān)以其低的損耗功率和高的抗干擾性、但也由于要求不高的供電電壓和良好的電路集成性，除了適用于換向控制外，也特別適用于中性點(diǎn)的隔離。
但在圖1所示半橋電路時(shí)，中性點(diǎn)的隔離也可不用MOSFET開關(guān)，而用大功率晶體管、繼電器或可比較地用煙幕爆發(fā)式氣囊系統(tǒng)進(jìn)行。在任何情況下，中性點(diǎn)隔離所用的元件都必須作為全相電流設(shè)計(jì)，并必須考慮附加損耗以及與此有關(guān)的溫升。在圖2所示全橋電路時(shí)，在由于一個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)的故障引起一個(gè)繞組相失效時(shí)，兩個(gè)完好的繞組相可這樣控制，使制動(dòng)力矩被補(bǔ)償甚至超過補(bǔ)償。依次此方式，即使一個(gè)繞組可能發(fā)生短路，也不需要附加的元器件。在上述使用例子中，短路電流為額定電流的數(shù)量級，所以元器件的相應(yīng)設(shè)計(jì)也足夠控制短路電流。
權(quán)利要求
1.在定子內(nèi)具有一個(gè)最好三相的勵(lì)磁繞組的電子換向式電機(jī)，這個(gè)用來產(chǎn)生永磁轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩的勵(lì)磁繞組通過一個(gè)配置了半導(dǎo)體開關(guān)的換向裝置和一個(gè)電動(dòng)機(jī)控制裝置而可連接在一個(gè)直流電壓源上，其特征為，該電動(dòng)機(jī)作為汽車的一種對安全攸關(guān)的輔助驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)使用，特別是作為電動(dòng)轉(zhuǎn)向助力器的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)使用，其中，在繞組短路和/或在換向裝置的半導(dǎo)體開關(guān)(24～34，46～68)發(fā)生故障的情況下，另外的或上述已有的電路元器件(18～22，46～48)抑制或至少部分地補(bǔ)償由電動(dòng)機(jī)(10；12～14)產(chǎn)生的制動(dòng)力矩。
2.按權(quán)利要求1的電動(dòng)機(jī)，其特征為，勵(lì)磁繞組的相(12～14)一方面可通過一個(gè)半橋電路(24～34)與直流電壓源(38)連接。另一方面連接到一個(gè)可隔離的中性點(diǎn)上。
3.按權(quán)利要求1或2的電動(dòng)機(jī)，其特征為，繞組相(12、14、16)的中性點(diǎn)通過附加的半導(dǎo)體開關(guān)(18、20、22)可隔離。
4.按權(quán)利要求1～3任一項(xiàng)的電動(dòng)機(jī)，其特征為，中性點(diǎn)的隔離通過MOSFET開關(guān)(18、20、22)來實(shí)現(xiàn)。
5.按權(quán)利要求1的電動(dòng)機(jī)，其特征為，勵(lì)磁繞組相(12、14、16)可通過一個(gè)由半導(dǎo)體開關(guān)(46～48)組成的全橋電路單獨(dú)連接到直流電壓源(38)上。
6.按權(quán)利要求5的電動(dòng)機(jī)，其特征為，勵(lì)磁繞組相(12、14、16)可通過附加的半導(dǎo)體開關(guān)(70～80)開斷。
7.按權(quán)利要求6的電動(dòng)機(jī)，其特征為，每兩個(gè)具有反向?qū)ǚ较虻母郊拥陌雽?dǎo)體開關(guān)(70～80)布置在任一繞組相(12、14、16)兩端的任一個(gè)電橋臂中。
8.按前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的電動(dòng)機(jī)，其特征為，換向裝置的半導(dǎo)體開關(guān)和/或附加的半導(dǎo)體開關(guān)(70～80)設(shè)計(jì)成MOSFET開關(guān)。
9.按權(quán)利要求1的電動(dòng)機(jī)，其特征為，勵(lì)磁繞組相(12、14、16)和/或換向裝置的電橋臂可用煙火爆破方式進(jìn)行隔離。
10.按前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的電動(dòng)機(jī)，其特征為，相電流(I1、I2、I3)的控制通過脈沖寬度調(diào)制來實(shí)現(xiàn)。
11.按權(quán)利要求10的電動(dòng)機(jī)，其特征為，在相電流的通電間隔中，有源空載通過換向裝置的另一個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)(30～34)和(58～68)的脈沖式接通來產(chǎn)生。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種在定子內(nèi)具有一個(gè)最好三相的勵(lì)磁繞組的電子換向式電機(jī)，這個(gè)用來產(chǎn)生永磁轉(zhuǎn)子(10)的轉(zhuǎn)矩的勵(lì)磁繞組通過一個(gè)配置了半導(dǎo)體開關(guān)的換向裝置和一個(gè)電動(dòng)機(jī)控制器(36)而可連接在一個(gè)直流電壓源(38)上。該電動(dòng)機(jī)作為汽車的一種安全關(guān)鍵的輔助驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)使用，特別是作為電動(dòng)轉(zhuǎn)向助力器的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)使用，其中在繞組短路和/或在換向裝置的半導(dǎo)體開關(guān)發(fā)生故障的情況下，另外的或上述已有的電路元件(18～22，46～48)抑制或至少部分地補(bǔ)償由電動(dòng)機(jī)(10，12～14)產(chǎn)生的制動(dòng)力矩。
文檔編號B62D5/04GK1564765SQ03801132
公開日2005年1月12日 申請日期2003年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月24日
發(fā)明者R·托比亞斯, S·貝爾, J·蘇特, I·伊門德爾菲, H·弗雷 申請人:羅伯特-博希股份公司