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Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronisch kommutierten Elektromotor, gemäß der nebengeordneten Patentansprüche 1 und 2.
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Elektronisch kommutierte Elektromotoren sind in unterschiedlicher Auslegung und Wirkungsweise bekannt. Überwiegend sind solche Motoren mit einem PM bestückten Läufer versehen.
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DE 10 2012 205 421 A1 beschreibt einen Außenläufermotor. Ein Innenständer beinhaltet vier Ständerzähne, wobei zwei sich gegenüber liegende Ständerzähne mit jeweils einer Spule eines Wicklungsstranges versehen sind, und zwei weitere Ständerzähne unbestückt sind. Am Außenläufer sind vier Permanentmagnete angeordnet, wobei eine Breite der bestückten Ständerzähne einen kleinen Anteil einer Breite der Permanentmagnete am Läufer entspricht und ohne Polschuhe ausgebildet sind, wohingegen die nicht bestückten Ständerzähne Polschuhe tragen.
Für einen Anlauf in einer vorbestimmten Drehrichtung des Motors ist eine Asymmetrie des Innenteils durch einen asymmetrischen Verlauf der Außenseite
20 des jeweiligen Polschuhs
19 gebildet.
Mit einem solchen Elektromotor lässt sich nur ein geringer Wirkungsgrad erzielen.
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DE 10 2006 004 313 A1 beschreibt ein Verfahren zur Steuerung eines Gleichspannungs-Elektromotors.
In
1 ist ein einsträngiger elektronisch kommutierter Gleichspannungs-Elektromotor
10 mit einem Außen-Rotor
12 und einen Innen-Stator
14 im Querschnitt dargestellt. Der Rotor
12 ist permanent erregt und vierpolig ausgebildet. Der Innen-Stator
14 ist ebenfalls vierpolig ausgebildet und weist vier Polarme
16 auf.
Der Elektromotor ist nur für eine festgelegte Drehrichtung ausgelegt, wobei der Luftspalt zwischen den Permanentmagneten am Läufer und den Polschuhen der Polarme des Innen-Stators asymmetrisch ausgebildet ist, wodurch auch hier ein Wirkungsgrad eingeschränkt ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Anwendung eines PM bestückten Läufers einen Elektromotor mit einer einphasigen Feldwicklung zu schaffen, der einen hohen Wirkungsgrad aufweist, und bei dem ein Rastmoment des Läufers, und eine Geräuschentwicklung, und eine Welligkeit von Läuferschritten deutlich reduziert ist.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der nebengeordneten Patentansprüche 1 und 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den übrigen Ansprüchen und der Beschreibung zu entnehmen.
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Durch einen speziellen Aufbau und eine effektive Steuerung des erfindungsgemäßen elektronisch kommutierten Elektromotors bestehen die Vorteile im besonderen darin, daß der Elektromotor eine hohe Energiedichte aufweist und ein hoher Wirkungsgrad von mindestens 90% erzielt wird, wobei ein Rastmoment des Läufers und eine Drehmomentwelligkeit deutlich reduziert ist.
Eine Läuferstellung zum Ständer ist vorzugsweise über eine Winkelerfassungseinrichtung ermittelt, eine Lageerkennung der Läuferstellung zum Ständer ist mit einem Drehwinkelgeber in einer Ausgabe von Gradwinkel an einen Controller einer Steuerelektronik durchgeführt, und ein Programm des Controllers legt jeweils einen Einschaltzeitpunkt für den Wicklungsstrang zur Bestimmung von Läuferschritten in Gradwinkel fest, womit ein Linkslauf oder ein Rechtslauf des Elektromotors bestimmt werden kann, und variable Drehzahlen sind mit dem Drehwinkelgeber und dem Programm des Controllers einstellbar, wobei ein Einschaltzeitpunkt des Wicklungsstranges zur Bestimmung von Läuferschritten zu einer jeweiligen Drehzahl des Läufers entsprechend zurückverlegt oder vorverlegt ist, so daß bei jeder Drehzahl und jeder Läuferstellung ein optimales Drehmoment am Läufer anliegt, und somit jeweils ein hoher maximaler Wirkungsgrad des Elektromotors erzielt ist.
Durch eine entsprechende Auslegung und Bemaßung des Ständers und des Läufers und einer Ansteuerung des Wicklungsstranges durch ein spezielles Programm des Controllers der Steuerelektronik wird ein hochdynamisch steuerbarer Lauf des Elektromotors erreicht, und der Motor besitzt ein entsprechendes hohes Anlaufmoment und eine hohe Überlastbarkeit.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Dabei zeigt:
- 1 und 2 in axialer Draufsicht schematische Darstellungen vom Ständer und Läufer des erfindungsgemäßen Elektromotors,
- 3 eine Einrichtung zur Ermittlung einer Läuferstellung,
- 4 eine Schaltungsanordnung einer elektronischen Steuereinrichtung zur Kommutierung von Wicklungssträngen des Elektromotors.
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1 zeigt in axialer Draufsicht eine Darstellung vom Ständer und Läufer eines Ausführungsbeispiels. Der Ständer 1 beinhaltet acht Ständerzähne 2 mit Polhörnern 3, und am Läufer 4 sind acht Permanentmagnetfelder 5 angeordnet.
Am Ständer 1 ist ein Wicklungsstrang A angeordnet, wobei Spulen 6 des Wicklungsstranges A jeweils einen Ständerzahn 2 umschlingen. Nebeneinander liegende Spulen 6 des Wicklungsstranges bilden an den Ständerzähnen 2 ungleichnamige Polfelder zueinander. 1 zeigt eine Läuferstellung am Anfang eines jeweiligen Läuferschrittes und es stehen sich jeweils ein Ständerzahn 2 und ein Permanentmagnetfeld des Läufers mit einer gleichen Polbildung S,S; N,N am Luftspalt gegenüber. Der Wicklungsstrang A wird nach einem jeweiligen Läuferschritt jeweils umgepolt, und ein jeweiliger Läuferschritt beträgt eine Wegstrecke von einer Breite eines Ständerzahns plus eine Weite einer Nutöffnung 7 am Luftspalt 8. Bei einem jeweiligen Läuferschritt ist jeder Ständerzahn 2 mit einem Magnetfeld beaufschlagt, und jedem Ständerzahn ist ein Permanentmagnetfeld des Läufers zugeordnet, so daß eine Anzahl der Ständerzähne einer Anzahl der Permanentmagnetfelder am Läufer entspricht, wodurch der Elektromotor eine hohe Energiedichte aufweist.
Ein Ständer besitzt mindestens zwei Ständerzähne und ein Läufer besitzt mindestens zwei Permanentmagnetfelder, wobei eine höhere Anzahl von Ständerzähnen und eine höhere Anzahl von Permanentmagnetfeldern am Läufer unbegrenzt ist, wenn diese Anzahl durch zwei teilbar ist.
Während eines Läuferschrittes ist ein Fluss der Felder am Ständer und am Läufer, im Bezug zur Drehrichtung des Läufers, durch eine Feldlinie 9 gekennzeichnet.
Eine Polbildung am Läufer kann durch einzelne Permanentmagnete, oder durch einen Permanentmagnetring, oder durch einen Permanentmagnetläufer durchgeführt sein.
Der Elektromotor läuft problemlos mindestens mit einer Nennlast in beide Drehrichtungen an, indem ein Zündwinkel für den Wicklungsstrang entsprechend für eine vorbestimmte Drehrichtung durch ein Programm der Steuerelektronik bestimmt ist.
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Ein Zündwinkel für einen Anlauf des Elektromotors wird mit einer Winkelerfassungseinrichtung ermittelt und ist in der 3 als Drehwinkelgeber beschrieben. Für einen Anlauf des Läufers ist ein Rastmoment des Läufers zu überwinden. Daher werden die Ständerzähne mit einem entsprechenden Magnetfeld beaufschlagt, wodurch sich am Luftspalt jeweils gegenüber stehende gleichnamige Magnetfelder des Ständers und des Läufers in irgendeiner Richtung ausweichen werden, und der Läufer sich in irgendeiner Drehrichtung bewegen wird. Bewegt sich der Läufer in einer falschen Drehrichtung, so wird der Wicklungsstrang sofort umgepolt, wodurch ein Wechselfeld an den Ständerzähnen gebildet wird.
Alternativ erzeugt die Winkelerfassungseinrichtung während des Anlaufens ein Wechselfeld mit einer niedrigen Frequenz und von mindestens 1° Schrittlänge und von ein Zehntel einer Sekunde Betriebsdauer an den Ständerzähnen, wodurch eine Feldprellung verursacht wird und der Läufer in die gewünschte Drehrichtung gezwungen wird.
Damit ein Rastmoment des Läufers leichter überwunden werden kann, ist der Zündwinkel für den Wicklungsstrang entsprechend vorverlegt.
An jedem Ständerzahn und an jedem Permanentmagnet am Läufer liegt ein Drehmoment an. Eine jeweilige Feldstärke an den Ständerzähnen sollte mindestens eine Feldstärke der Permanentmagnetfelder am Läufer entsprechen, so daß während eines jeweiligen Läuferschrittes ein jeweiliges Permanentmagnetfeld zur Feldverstärkung am Ständer beiträgt, wobei eine Eisensättigung des Ständers zu berücksichtigen ist. Die Felder am Ständer und am Läufer schließen sich auf dem kürzesten Wege, wodurch eine geringere Erwärmung des Elektromotors und ein hoher Wirkungsgrad erzielt wird.
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Der Elektromotor kann auch für eine vorbestimmte Drehrichtung ausgelegt sein, indem der Läufer oder der Ständer entsprechend ausgelegt ist.
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1a zeigt eine solche Auslegung für einen Rechtslauf des Läufers 4'. Die Permanentmagnet-Segmente 5' am Läufer sind zweipolig ausgebildet und besitzen jeweils einen S-Pol 10 und einen N-Pol 11, wobei der S-Pol 10 jeweils einer Breite der Ständerzähne entspricht, und der N-Pol 11 jeweils einer Breite eines Ständerzahns plus eine Weite einer Ständernutöffnung 7 entspricht, oder ein jeweiliger S-Pol 10 besitzt eine Breite eines Ständerzahns plus eine Weite einer Ständernutöffnung 7 und eine jeweilige Breite der N-Pole entspricht einer Breite eines Ständerzahns. Zwischen den Permanentmagnet-Segmenten 5' ist jeweils ein Zwischenraum 12 oder ein Läuferzahn vorhanden, wobei der Zwischenraum 12 oder der Läuferzahn jeweils eine Weite einer Ständernutöffnung 7 entspricht.
Die Polfelder 10 und 11 können auch aus einzelnen Permanentmagneten bestehen.
Für einen Rechtslauf des Läufers liegen die breiteren Polfelder 11 rechts von dem Zwischenraum 12, und für einen Linkslauf des Läufers liegen die bereiteren Polfelder 11 links von dem Zwischenraum 12, und somit jeweils in Bezug zur Drehrichtung des Läufers.
Nach einer Ausführung des Elektromotors der 1, besitzt der Läufer ein hohes Rastmoment und eine hohe Welligkeit von Läuferschritten.
Damit ein Rastmoment des Läufers reduziert ist und eine Raststellung für einen Anlauf des Elektromotors optimal ist, sind zwischen den bestückten Ständerzähnen unbestückte Ständerzähne angeordnet.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein Rastmoment des Läufers deutlich reduziert ist.
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Am Ständer 13 sind vier bestückte Ständerzähne 14 angeordnet, und Spulen 15 des Wicklungsstranges A umschlingen jeweils einen Ständerzahn 14, und am Läufer 16 sind zwei Permanentmagnet-Segmente 17 angeordnet. Zwischen den bestückten Ständerzähnen 14 ist jeweils ein unbestückter Ständerzahn 18 angeordnet und zwischen den Permanentmagnet-Segmenten 17 ist jeweils ein nicht mit einem Magnetfeld beaufschlagter Läuferzahn 19 angeordnet.
Die Permanentmagnet-Segmente 17 sind dreipolig ausgebildet, wobei eine Breite des einen Polfeldes 20 einer Breite eines Ständerzahns entspricht und jeweils mit einem S Pol oder mit einem N Pol magnetisiert ist, und das andere Polfeld weist zwei gleichnamige Polfelder auf, wobei das eine Polfeld 21 einer Breite eines bestückten Ständerzahns entspricht und das andere Polfeld 21' einer Breite eines unbestückten Ständerzahns plus eine Weite von zwei Ständernutöffnungen entspricht. Die Polfelder der Permanentmagnet-Segmente 17 besitzen ungleichnamige Polfelder zueinander, wobei die Polfelder 20,21 jeweils an den Läuferzähnen 19 liegen und das Polfeld 21' jeweils zwischen den Polfeldern 20,21 liegt.
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2 zeigt eine Läuferstellung am Anfang eines jeweiligen Läuferschrittes, und diese Läuferstellung ist auch ein Ende eines jeweiligen Läuferschrittes, wobei dann jeweils ungleichnamige Polfelder sich am Luftspalt gegenüber stehen und der Wicklungsstrang für einen nächsten Läuferschritt umgepolt wird.
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2a zeigt eine Läuferstellung, wo ein Läuferschritt halb beendet ist. Während eines Motorbetriebes erfolgt eine Umpolung des Wicklungsstranges mindestens 1° vor einer genauen Gegenüberstehung von Permanentmagnetfeldern und Ständerzähnen.
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Eine Anzahl von Ständerzähnen und eine Anzahl von Permanentmagnetfeldern am Läufer kann unbeschränkt gewählt werden.
In den Figuren sind lediglich Ausführungsbeispiele dargestellt, die unabhängig von einer Gestaltung eines Ständers und eines Läufers sein sollen. Der erfindungsgemä-ße Elektromotor kann sowohl als Innenläufer als auch als Außenläufer ausgebildet sein.
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Eine sichere Lageerkennung der Läuferstellung zum Ständer wird vorzugsweise mit einer Winkelerfassungseinrichtung durchgeführt. Diese Einrichtung ermittelt die Läuferstellung zum Ständer in Grad, und gibt diese Daten an einen Controller der Steuerelektronik, und die Einrichtung zur Ermittlung des Gradwinkels ist vorzugsweise ein dem Elektromotor und der Steuerelektronik zugeordneter Drehwinkelgeber.
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In 3 ist eine solche Einrichtung schematisch dargestellt. Am Ende einer Welle 20 des Elektromotors 21 befindet sich ein Permanentmagnet 22 mit einer diametralen Magnetisierung, dem ein Drehwinkelgeber IC 23 zur Ermittlung des Gradwinkels zugeordnet ist, und der Drehwinkelgeber 24 ist vorzugsweise von außen an ein Lagerschild des Elektromotors angeordnet, wobei der Permanentmagnet 22 auf ein nicht magnetisierbares Wellenende oder an eine Halterung 25 aus nicht magnetisierbarem Material am Wellenende befestigt ist, und der Permanentmagnet mit der Halterung durch das Lagerschild 26 geführt ist.
Das Drehwinkelgeber IC 23 ist vorzugsweise auf eine flexible Leiterplatte 27 angeordnet, wobei die flexible Leiterplatte am Boden einer Abdeckkappe 28 befestigt ist, und die flexible Leiterplatte ist vorteilhaft mit Steckanschlüssen 29 ausgebildet, die aus der Abdeckkappe rausgeführt sind, und die Abdeckkappe wird staubdicht an das Lagerschild des Elektromotors befestigt.
Bei Inbetriebnahme des Elektromotors ermittelt der Drehwinkelgeber den Gradwinkel der Läuferstellung zum Ständer, wobei für den betreffenden Läuferschritt die hierfür zuständigen Transistoren von Halbbrücken angesteuert werden, und nach dem Beenden des Läuferschrittes werden die nächstfolgenden Läuferschritte eingeleitet.
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Bei zunehmender Drehzahl des Elektromotors wird der Läufer in seiner Drehbewegung stetig schneller wie ein Aufbau eines Ständerfeldes für einen jeweiligen geschalteten Läuferschritt, dieser Zeitverzug wird einerseits durch den Elektromotor selbst verursacht und andererseits durch die Steuerelektronik, so daß ab einer bestimmten Drehzahl der Läufer in seiner Drehbewegung gebremst wird.
Damit der Elektromotor bis hin zu einer hohen Drehzahl variabel betrieben werden kann, und ein maximaler Wirkungsgrad bei jeder Drehzahl erreicht wird ist es erforderlich, daß der Einschaltzeitpunkt der Wicklungsstränge für die Läuferschritte bei zunehmender und abnehmender Drehzahl des Läufers, stetig vorverlegt oder zurückverlegt wird.
Ein Zurückverlegen und Vorverlegen des Einschaltzeitpunktes für die Wicklungsstränge zur Bestimmung von Läuferschritten erfolgt während eines Motorbetriebes oder eines Bremsbetriebes mit einem Programm des Controllers der Steuerelektronik.
Der zuvor beschriebene Drehwinkelgeber ermittelt jeweils den Gradwinkel der Läuferstellung zum Ständer und sendet den jeweiligen Gradwinkel zum Controller einer Steuerelektronik, oder der Controller ruft den jeweiligen Gradwinkel vom Drehwinkelgeber ab.
Zur Festlegung von Gradwinkeln zur Bestimmung von Läuferschritten muß der Drehwinkelgeber kalibriert werden, damit der Permanentmagnet 22 an der Welle 20 des Läufers und das Drehwinkelgeber-IC 23, zentriert zur Welle des Läufers, beliebig zueinander angeordnet werden kann.
Ein Programm des Controllers der Steuerelektronik ermittelt aus der Null-Grad-Stellung des Läufers einen Einschaltzeitpunkt der Wicklungsstränge für die Läuferschritte. Eine ermittelte Läuferstellung bei einer ausgerichteten Läuferstellung kann auch mit einer anderen Gradzahl wie mit Null-Grad festgelegt werden.
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Der Drehwinkelgeber ermittelt den Gradwinkel vorzugsweise in Einergradschritten, und das Programm des Controllers legt den Einschaltzeitpunkt für die Wicklungsstränge zur Bestimmung von Läuferschritten in Gradwinkel fest, und der Einschaltzeitpunkt wird vorzugsweise in Einergradschritten bei ansteigender und/oder abfallender Drehzahl, bezogen auf eine Null-Grad-Stellung des Läufers entsprechend vor- und/oder zurückverlegt, wobei eine Vorverlegung und/oder Zurückverlegung des Einschaltzeitpunktes für die Wicklungsstränge auch in weniger oder in mehr wie in Einergradschritten erfolgen kann, und somit die Ausgabe der Gradwinkel des Drehwinkelgebers größer oder kleiner wie Einergradschritte sein kann.
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Für eine Einstellung einer variablen einstellbaren Drehzahl wird die Drehzahl des Läufers vorzugsweise mit dem Drehwinkelgeber ermittelt, und eine variable einstellbare Drehzahl wird mit dem Drehwinkelgeber über eine Zeiterfassung durchgeführt.
Die gewünschte Drehzahl wird entsprechend vorgegeben, und das Programm des Controllers der Steuerelektronik ermittelt über den Drehwinkelgeber eine vorhandene Drehzahl und vergleicht diese mit einer vorgegebenen Drehzahl. Bei Abweichung von der Solldrehzahl werden Transistoren von Halbbrücken oder Vollbrücken entsprechend über eine Pulsweitenmodulation angesteuert.
Variable Drehzahlen werden üblicherweise mit einem Potentiometer eingestellt, indem mit dem Potentiometer die Pulsweite vorgegeben wird. Mit dem Potentiometer soll hier vorzugsweise Solldrehzahlen vorgegeben werden.
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Zur Anlegung des Wicklungsstranges an eine Stromquelle ist dem Elektromotor eine entsprechende Schaltungsanordnung zugeordnet.
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4 zeigt eine Vollbrücke 30, in der ein Wicklungsstrang angeordnet ist, und der Vollbrücke ist eine Steuerelektronik 31 zugeordnet, und der Steuerelektronik ist dem Drehwinkelgeber 24 zugeordnet. Mit Vollbrücken ist jede Schaltversion für einen Wicklungsstrang durchführbar.
Zur Erkennung der Läuferstellung zum Ständer können auch andere bekannte Einrichtungen zur Anwendung kommen, oder der Elektromotor wird sensorlos gefahren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012205421 A1 [0003]
- DE 102006004313 A1 [0004]