电子换向式电机 背景技术
本发明涉及一种例如在早些时候德国专利申请100 644 86.4中所述的电子换向式电机。在该文中，对电机的控制也进行了详细说明，这些说明也适用于这里提出的电子换向式电机，所以在本专利申请中不再对电机控制的细节进行详细说明。
DE专利申请100 644 86.4所述的方法是专门针对电动机的转子位置的测定的，以其结构和控制方式而不能达到特别有利的使用形式。本次申请的内容涉及这种电动机作为汽车安全攸关的辅助驱动器用的驱动电动机的使用，特别是涉及电转向助力器的驱动电动机的使用。这种电动机的结构和控制满足传动安全方面地诸多要求，这种传动预先考虑了电动机在故障情况下可起这样的作用，即它不产生损害汽车安全的力矩，特别是在汽车转向操作情况下不产生制动力矩。所以对本发明来说，使用电子换向式电机的原因也不首先是由于没有电刷的无磨损和无维护的结构，而是除了通过控制可影响小的力矩波动外，特别是在电动机控制的一个元件或电动机本身发生故障时，特别是绕组短路时的控制可能性，这种短路产生的短路电流在额定电流的数量级内并对传动产生危险的力矩。特别是，这种故障可导致例如对电转向助力器不只是转向支持失效，而是甚至产生一个使汽车不能转向的反作用力矩。
对这种使用场合的电子换向式电机的第一优选结构为：一方面励磁绕组的绕组相可通过一个半桥电路与直流电源连接，另一方面连接到一个可隔离的中性点上，以便在换向装置的半导体开关失灵时断开故障电流。从而可至少部分地获得传动功率。对星形接线的励磁绕组来说，在绕组短路情况下，虽然由于在驱动电动机旋转时在故障绕组内感应的电压不可能开断而不可能切断干扰量，但另一方面，在故障相的中性点隔离后，通过故障绕组产生的制动力矩由于电动机用剩余绕组的运行而可至少部分地获得补偿，并由此保证了驱动功率的至少部分的获得。
本发明特别适用于换向装置在用全桥电路时的电动机的控制，其中励磁绕组的各相可单独连接在直流电源上。通过励磁绕组各相的单独控制，特别有利于保证既在换向装置产生故障时又在励磁绕组一相产生故障时的应急运行。换向装置或绕组一相的故障在这里也产生一个制动力矩。但由于两个完好的相，即使干扰量未切断，该制动力矩也可补偿。通过附加的措施即通过断开换向装置的一个单独的有缺陷的支路，从而不论其他各相是否断开，在半导体元件产生故障时，都可通过断开有缺陷的相切断干扰量，且电动机可用其功率的2/3继续运行。在绕组的一相发生故障时，虽然也象绕组星形接线时那样，不可能切断干扰量，但由于只有一相发生故障，所以产生的制动力矩的补偿比绕组星形接线时要高些。
绕组各相的隔离可按特别有利的方式既在绕组各相星形接线时又在绕组各相通过一个全桥换向电路分别单独连接时借助于存在的或附加的半导体开关特别是用MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)开关来实现。
本发明电动机的其他细节和优选方案可从三个实施例的以下说明中和从相应的附图中得知。
附图表示：
图1一个配置了半导体开关的、连接到一个可隔离的中性点上的绕组相的转换装置；
图2和3分别为电子换向式电机的一种电路布置，该电机的绕组相单独通过一个全桥换向装置与一个直流电源连接，其中图3的电路布置特别适用于MOSFET开关。
实施例
在图1中，用10表示一台电子换向式电机的装有永久磁铁的转子，其三相的励磁绕组布置在定子中。绕组各相用12、14和16表示并通过MOSFET开关18、20、22呈星形接线。相电流I1、I2、I3流入绕组相12、14和16中，它们通过一个六脉冲半桥电路(也叫B6电路)进行控制。换向装置同样通过MOSFET开关组成，这些开关分别用参考号24、26、28或30、32、34表示。同样象星形接线的MOSFET开关18～22那样，换向装置的MOSFET开关24～34从一个电动机控制器36获得供电电压和控制指令，该控制器连接在一个直流电源38和换向装置的输入端之间。
在定子内具有励磁绕组和一个带永久磁铁的转子10的本发明电子换向式电机也叫做无电刷的直流电机(BLDC电机)。这种电机包括它的控制已在前面提到的DE 100 644 86.4中进行了十分详细的说明，而且原则上也是众所周知的。所以在本申请中不再全面重复说明该电动机的结构和控制，而只对它作为汽车安全攸关的辅助驱动器的驱动电动机使用，最好作为汽车电动转向的驱动电动机使用的主要部分和电路特点即在半导体或绕组发生故障时的隔离措施和可能性进行说明。
在图1所示电路布置时，在无故障运行情况下，MOSFET开关18、20、22接通并构成绕组相12、14、16的中性点。相电流I1、I2、I3的大小和变化通过MOSFET开关24、26、28以及30、32和34由一个从电动机控制器36开始的脉冲宽度调制进行调节。在这种情况下，相应的相电流I1、I2、I3通过中性点和通过三个测量用电阻40、42、44通到直流电源38的负极。
在电动机无故障运行的情况下，三个MOSFET开关18、20和22接通并确定励磁绕组的中性点。相电流I1、I2、I3通过电动机控制器36确定，其中例如相电流I1在节拍MOSFET开关24时用通过该节拍预先给定的过程通过导通的MOSFET开关32和电阻42回到直流电压源的负极。空载电路在由该节拍引起的电流间歇中通过绕组相12和14以及两个MOSFET开关30和32接通。在这个时间间隔内，开关32导通，在MOSFET开关30时，或通过集成的反向二极管进行无源空载运行，或通过在MOSFET开关24的电流闭合间隔内的脉动式接通进行有源空载运行。相电流I2和I3进行相应控制。
电动机在运行时的故障可能特别是由于换向装置的半导体开关之一的故障或由于绕组相之一的绕组短路所引起。例如在MOSFET开关24熔成合金时，由于通过电动机旋转在绕组相12、14和16中感应的电压，电流流经MOSFET开关26和28的反向二极管并产生一个制动力矩，该制动力矩在汽车中用电动转向助力器传动的情况下实际上导致汽车的不转向。与此相反，通过用MOSFET开关18隔离绕组相12、14、16的中性点提供了本发明的补救措施。这样，干扰量被切断，而且即使用减少的功率也能保持传动功能完好。例如在绕组相16产生绕组短路时，由于感应电压产生一个制动力矩，但这时通过隔离绕组中性点不可能切断干扰量，在这种干扰情况中可提供这样一种补救办法，即通过用MOSFET开关18～22隔离中性点可至少补偿一个制动力矩，该制动力矩在汽车转向助力器用电动机的情况下抵消汽车司机的转向力，从而仍保持没有支持的转向作用。
图2同样表示一个在定子中具有三相励磁绕组和永磁励磁转子的电子换向式电机的电路布置。所以与图1相同的部分仍沿用相同的附图标记。与图1电路布置不同的是，图2用半导体开关46～68组成的一个全桥电路(也叫做3H电路)来进行绕组相12、14和16的换向。为此，绕组各相可单独连接在直流电压源38上并可与它分开，从而比在图1电路布置时达到故障补偿的更多的可能性，为了绕组相的单独控制，在全桥电路时，原则上需要三个现成的单独的驱动器以代替一个共同的B6桥式驱动器。此外，在图2所示电路布置时，由于换向间隔内的空载电流，如果该空载电流通过相应配置的、用节拍频率接通的MOSFET开关控制，则通过一个有源的空载运行也可明显减少损失，在这种情况下，例如在由MOSFET开关46产生节拍的相电流I1时，MOSFET开关58相应地根据节拍频率接通电流间隔，因此，绕组相12的空载电流可通过在这个时间间隔内持续接通的MOSFET开关60和按节拍接通的MOSFET开关58进行补偿。在这里，MOSFET开关的节拍可相似于图1MOSFET开关的节拍这样选定，即产生要求的电流波形，以便把力矩波动性减小到最低限度。
如果在图2所示电路布置时例如在MOSFET开关46中产生故障，并由于这个故障使该开关持续导通，则有一个电流通过该开关和绕组相12以及MOSFET开关48的反向二极管，该电流在驱动装置中引起一个制动力矩。于是，全桥电路提供了补偿该制动力矩的可能性而不需要切断干扰量，因此驱动器用其功率的一部分就可通过两个没有故障的绕组相14和16继续运行。
如果产生的绕组短路故障例如出现在绕组相12中，则不可能切断干扰量，并产生一个制动力矩。但由于只涉及一相和电动机的另外两相没有故障，所以产生的制动力矩可通过两个完好的绕组相这样补偿，即仍然保持没有支持的转向作用。
图3的电路布置与图2的大致相当，所以相关部分不再说明。图2和3的相同部分用相同的附图标记表示。与图2电路布置不同的是，这里的绕组相12、14和16不是直接地接入全桥换向电路的并联电路中，而是在绕组相12、14和16的两端，分别设置一个附加的MOSFET开关70、72；74、76；78、80，这两个对应每个绕组相的附加的半导体开关用相反的导通方向接入该并联电路中。依此方式，特别是在用MOSFET半导体开关时，便可用其集成的反向二极管隔离任一个单独的电桥臂，并由此隔离相应的绕组相。这种隔离方式代替了图1电路布置的中性点隔离。
如果在图3所示电路布置时又是在MOSFET开关46中产生故障，并由于这个故障使该开关持续导通，则不再可能有故障电流通过绕组相12和MOSFET开关48的反向二极管，因为这个电路被中间连接的、不导通的MOSFET开关70断开。这也适用于换向装置的其他MOSFET开关发生故障。亦即用图3电路布置的附加措施，MOSFET全桥电路可断开电桥并联电路中的附加的半导体开关70到80，并由此切断干扰量，所以不再可能产生制动力矩，因而例如可对汽车的助力转向提供较高的功率。
如果产生的绕组短路故障例如存在于绕组相12中。则虽然不可能通过半导体开关70和72的开断来切断干扰量并产生一个制动力矩，但由于电动机的其他两相没有故障，所以仍可保持没有支持的转向作用。
亦即在汽车中作为电动转向助力器的驱动电动机的上述使用场合中。确保了电动机在故障情况下可产生这样的作用，即对转向不作用制动力矩并至少保证了不通过转向助力器支持的转向运行。汽车中的安全攸关的辅助驱动器的其他应用例如有电制动器或电动加速踏板，对这些使用场合，作为驱动装置同样可用在转子中带永久磁铁的电子换向器电机。
所以本发明的电动机电路既在带可隔离中性点的半桥电路形式中又可在换向用的全桥电路形式中开断故障电流，该故障电流产生一个与规定的驱动方向反作用的力矩。全桥电路的独特优点是，每相都可单独控制，从而在一个输出级发生故障的情况下产生的制动力矩可通过另外两个电桥臂抵消并可进行应急运行。此外，在全桥电路时，也可补偿一个绕组相的绕组矩路，在半桥电路的中性点隔离时，可至少抑制反作用力矩的一部分。此外，在全桥电路时，电流信号可直接分配到相应的相，因为每相都可分开测量，而且相电流的曲线形状可对每相分开调节而不需要额外花费，从而明显提高了故障情况下的补偿可能性。
在这些实施例中，换向装置分别在用MOSFET开关作为半导体元件的情况下进行了说明。这种MOSFET开关以其低的损耗功率和高的抗干扰性、但也由于要求不高的供电电压和良好的电路集成性，除了适用于换向控制外，也特别适用于中性点的隔离。
但在图1所示半桥电路时，中性点的隔离也可不用MOSFET开关，而用大功率晶体管、继电器或可比较地用烟幕爆发式气囊系统进行。在任何情况下，中性点隔离所用的元件都必须作为全相电流设计，并必须考虑附加损耗以及与此有关的温升。在图2所示全桥电路时，在由于一个半导体开关的故障引起一个绕组相失效时，两个完好的绕组相可这样控制，使制动力矩被补偿甚至超过补偿。依次此方式，即使一个绕组可能发生短路，也不需要附加的元器件。在上述使用例子中，短路电流为额定电流的数量级，所以元器件的相应设计也足够控制短路电流。