CN102197582A - 直流电机和用于运行该直流电机的方法 - Google Patents

直流电机和用于运行该直流电机的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种直流电机（1），该直流电机（1）具有转子（26）和定子（16），该转子（26）具有至少一个永磁体（27），该定子（16）具有至少三个定子线圈（
Figure 2009801421039100004DEST_PATH_IMAGE002
），其中设置控制设备，该控制设备被设立用于确定转子（26）的转动位置并且促使根据转子（26）的该转动位置来给定子线圈（
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
）通电，并且其中该控制设备被设立用于根据在定子线圈（
Figure DEST_PATH_IMAGE002AA
）之一中所感应的电压来确定高转数范围内的转动位置。为了可以根据转子的转动位置在低转数范围内控制直流电机（1），控制设备（6）被设立用于在定子线圈（
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAA
）之一上施加电压时根据电流来确定低转数范围内的转动位置。

Description

直流电机和用于运行该直流电机的方法
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的直流电机以及一种根据权利要求2的前序部分的用于运行该直流电机的方法。
背景技术
这样的所谓的无电刷无传感器的直流电机包括具有至少一个永磁体的转子和具有至少三个定子线圈的定子，其中设置控制设备，该控制设备被设立用于确定转子的转动位置以及根据转子的该转动位置来促使给定子线圈通电，并且其中该控制设备被设立用于根据在电子线圈之一中所感应的电压来确定高转数范围内的转动位置。
但是缺点在于，在低转数时不能在定子线圈中感应足够的电压。因此，转子的转动位置不能被确定。因子，在电机在低转数范围内启动时，定子线圈被盲接（blind schalten）。这可能导致，给定子线圈通电并没有导致电机的加速，而是导致转子的制动。于是，转子在长时间以后才达到高的转数范围或者根本达不到高的转数范围。
发明内容
本发明所基于的任务是，提供一种开头所述方式的直流电机以及一种运行该直流电机的方法，其中该直流电机可以由该方法根据转子的转动位置在低的转数范围内被控制。
本发明所基于的任务通过具有专利权利要求1的特征部分的特征的直流电机和具有专利权利要求2的特征部分的特征的用于运行该直流电机的方法来解决。
本发明涉及一种直流电机，其中设立控制设备以在定子线圈之一上施加电压时根据电流来确定低转数范围内的转动位置。低转数范围一般是低于高转数范围的转数范围，在低转数范围内不能在定子线圈中感应出用于确定转动位置的足够电压，并且在低转数范围内转子转数典型地少于500 U/min，而在高转数范围内转子转数典型地多于500 U/min。有利地，为了确定低转数范围内的转数，不需要另外的传感器。所述直流电机在理想情况下是交替磁极式电机（英文为consequent pole motor）。
本发明还涉及一种用于运行所述直流电机的方法，具有低转数范围内的如下步骤：施加电压到定子线圈之一上；确定定子线圈之一上的电流；根据所述电流的分布（Verlauf）确定转子位置；以及根据所获取的转动位置给定子线圈通电。确定电流在本发明的上下文中不表示在数值上对电流进行精确地确定。还可以仅仅确定与电流成比例的参量。
在优选的实施方式中，施加电压到至少一个另外的定子线圈上，确定该至少一个另外的电子线圈上的另一电流，并且根据该另一电流的分布来确定转动位置。由此可以确定转子是否位于多个不同转动位置中的一个处。
在该优选实施方式的扩展方案中，所施加的电压是电压脉冲。该电压脉冲典型地具有几百                                               
Figure 2009801421039100002DEST_PATH_IMAGE002
的持续时间。这使得能够精确地确定转子的转动位置。此外，为了确定所述转动位置只需要短的时间间隔，在该时间间隔中必须中断直流电机的正常运行。
在该优选实施方式的另一扩展方案中，重复施加电压脉冲，并且重复施加电压脉冲之间的时间间隔减小。因此，在重复施加电压脉冲之间的时间间隔与转子的增加的转数相适应。
在该优选实施方式的另一扩展方案中，所施加的电压变化极性，针对变换极性的电压确定定子线圈上的电流，并且根据针对变化极性的电压的电流的分布来确定转动位置。变换极性的电压优选同样是电压脉冲并且具有与前述电压脉冲相等的持续时间。通过分别两个相反的电压脉冲，转子的转数几乎不受影响。
在该优选实施方式的另一扩展方案中，将每个定子线圈上的针对所述电压和针对所述变化极性的电压的电流增加的绝对值分别相加为加总电流增加，将最大的加总电流增加与其它的电流增加相比较，以便确定转动位置。因此可以提取出电流的偏移误差（Versatzfehler）。通过在确定比较标准时的合适的容差，可以确定转子的转动位置位于其中的角度范围。
在该优选实施方式的另一扩展方案中，在高转数范围中，为了确定转数，针对多次（至少两次）的360°的电角度确定在定子线圈之一中所感应的电压的相同的电压值。在此，涉及针对相同转子位置的电压值。由此保证了转子的极之间的偏差不影响转动位置的确定。
附图说明
下面参照附图详细描述本发明。
图1示出具有所属的通电设备的直流电机的示意性视图；
图2示出来自图1的直流电机和所属的开关设备的详细视图；
图3示出来自图1的电压比较电路的视图；
图4示出来自图1的电压放大器的视图；
图5A示出针对电角度
Figure 2009801421039100002DEST_PATH_IMAGE004
=0°的电机的视图；
图5B示出针对电角度
Figure DEST_PATH_IMAGE004A
=120°的电机的视图；
图5C示出针对电角度
Figure DEST_PATH_IMAGE004AA
=240°的电机的视图；以及
图6示出所感应的电压与电角度有关的幅度。
具体实施方式
图1示出具有所属的通电设备2的直流电机1的示意性视图。这样的直流电机例如用于汽车的冷却剂泵。
通电设备2负责通过电流线路3，4给直流电机1通电。通电设备2包括控制电路6、具有电荷泵的驱动电路7、具有多个开关晶体管的开关设备8、电压比较电路9以及电压放大电路10。附加地设置电压调节电路11、极性变换保护电路12、过电压保护电路13、电容器14以及电阻15。电容器14缓冲由于定子线圈的感应负载所回馈的电能（参见图2）。电阻15具有微小的值并且保证通过电阻15流到接地连接的电流可以被电压放大电路10放大。极性变换保护电路12负责使错误极化的供电电压
Figure DEST_PATH_IMAGE006
不损坏通电设备2。电压调节电路11将施加在控制电路6上的电压调节到特定的值。过电压保护电路13负责使驱动电路7不受到过电压的损坏。控制电路6根据电压比较电路9或电压放大电路10的信号来控制驱动电路7。驱动电路7在开关设备9的开关晶体管上施加合适的电压，以便断开或接通开关晶体管。
图2示出来自图1的直流电机1和所属的开关设备8的详细视图。该直流电机包括具有六个铁芯突出部17的铁芯16，这些铁芯突出部17分别偏移60°并且分别被定子线圈
Figure DEST_PATH_IMAGE008
或
Figure DEST_PATH_IMAGE010
之一缠绕。定子线圈
Figure DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
和，和
Figure DEST_PATH_IMAGE022
分别形成由两个串联的定子线圈构成的定子线圈对
Figure DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure DEST_PATH_IMAGE026
和
Figure DEST_PATH_IMAGE028
。定子线圈对，
Figure DEST_PATH_IMAGE026A
和
Figure DEST_PATH_IMAGE029
的两个定子线圈分别相互偏移180°。每个定子线圈对
Figure DEST_PATH_IMAGE024AA
，
Figure DEST_PATH_IMAGE026AA
和
Figure DEST_PATH_IMAGE029A
的一个端部与两个开关晶体管T1和T2，T3和T4，及T5和T6连接，这些开关晶体管分别通过驱动电路7接通或断开。开关晶体管T1，T3和T5将定子线圈对
Figure DEST_PATH_IMAGE024AAA
，
Figure DEST_PATH_IMAGE026AAA
和
Figure DEST_PATH_IMAGE029AA
分别与高电压电势
Figure DEST_PATH_IMAGE006A
连接或者将这些定子线圈对分别与该高电压电势
Figure DEST_PATH_IMAGE006AA
断开。开关晶体管T2，T4和T6将定子线圈对
Figure DEST_PATH_IMAGE024AAAA
，
Figure DEST_PATH_IMAGE026AAAA
和
Figure DEST_PATH_IMAGE029AAA
分别与节点25处的低电压电势连接或者将这些电子线圈对分别与该低电压电势断开。每个电子线圈对
Figure DEST_PATH_IMAGE024AAAAA
，和
Figure DEST_PATH_IMAGE029AAAA
的另一端部彼此连接。具有两个永磁体27的转子26位于转动位置
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAA
=0°。在该布置的情况下，电角度
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAA
=0°对应于机械角度
Figure DEST_PATH_IMAGE031
，也就是说，定子线圈
Figure DEST_PATH_IMAGE008A
和中的每一个在转子26旋转一整周的情况下恰好两次相对地处于具有特定极性的磁极。具有极性S的磁极构造在永磁体27外侧，而具有相反极性N的磁极构造在永磁体27之间。这种直流电机被称为“交替磁极式电机”（英文为consequent pole motor）。开关晶体管T1应当针对电角度
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAA
=30°至150°为接通的。开关晶体管T2应当针对电角度=210°至330°为接通的。开关晶体管T3应当针对电角度
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAAAA
=150°至270°为接通的。开关晶体管T4应当针对电角度=330°至90°为接通的。开关晶体管T5应当针对电角度
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAAAAAA
=270°至30°为接通的。开关晶体管T6应当针对电角度
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAAAAAAA
=90°至210°为接通的。应当总是有恰好两个开关晶体管为接通的，使得电流分别流过两个定子线圈对。
图3示出来自图1的电压比较电路9的视图。电压比较电路9包括三个相同构造的比较电路18，19和20，其中这些比较电路18，19和20中的每一个将存在于定子线圈对
Figure DEST_PATH_IMAGE024AAAAAA
，
Figure DEST_PATH_IMAGE026AAAAAA
和
Figure DEST_PATH_IMAGE029AAAAA
之一的电流线路3，4或5上的电压与存在于星形接点21上的电压相比较，该存在于星形接点21上的电压尤其取决于存在于电流线路3，4或5上的电压。这些比较电路中的每一个包括多个电子R1、R2、R3、R4和R5，多个电容器C1、C2和C3，以及运算放大器OP1。如已经说明的那样，在正常运行时总是交替地给仅仅两个定子线圈对通电。当在未被通电的第三定子线圈上所感应的电压具有其过零点时，两个通电的定子线圈上的电压相反并且在绝对值上大小相等。因此在节点21处在过零点时存在0V的内电压（0V的内电压在此被定义为
Figure DEST_PATH_IMAGE033
）。此外，在该电压的过零点时，该电压的符号改变。因此，相应的、属于未被通电的第三线圈的运算放大器OP1的输出端22，23或24上的电压的符号也改变。节点22，23和24上的电压被输送给控制电路6。
图4示出来自图1的电压放大电路10的视图。该电压放大电路10包括多个电阻R6、R7、R8、R9、R10和R11，电容器C4，以及两个运算放大器OP2和OP3。电阻R8和R11以及R10和R9分别大小相等。节点25、28和29同样在图1中绘出。电阻R6和R7同样大小相等，使得在运算放大器OP2的同向输入端上和在运算放大器OP2的输出端上存在电压
Figure DEST_PATH_IMAGE033A
（0V的内电压）。当在节点25上和在节点29上存在相等的电压时，没有电流流过电阻15（参见图1），并且在节点28上同样存在0V的内电压。运算放大器OP3被接线为反向放大器，使得在运算放大器OP3的输出端（节点28）上存在对应于通过R15的电流方向的比例电压，这对于控制电路6的运行方式来说是必需的。
在启动时，直流电机1在低转数时的运行被测试暂停（Testpause）中断。在测试暂停中，在定子线圈对
Figure DEST_PATH_IMAGE024AAAAAAA
，
Figure DEST_PATH_IMAGE026AAAAAAA
和
Figure DEST_PATH_IMAGE029AAAAAA
中的每一对上短时间地相继施加两个相反的电压脉冲。这些电压脉冲都是相同长度并且具有相同的幅度。通过施加两个相反的电压脉冲，均衡了可能的偏移误差。此外，转子26的运动几乎不受影响。对于定子线圈对
Figure DEST_PATH_IMAGE024AAAAAAAA
，在第一电压脉冲期间，晶体管T1、T4和T6被接通，并且在第二电压脉冲期间，晶体管T2、T3和T5被接通。电压脉冲中的每一个具有几百
Figure 2009801421039100002DEST_PATH_IMAGE002A
的持续时间。因此，转子26在整个测试暂停期间都几乎位于相同的转动位置中。对于定子线圈对
Figure DEST_PATH_IMAGE026AAAAAAAA
，在第一电压脉冲期间，晶体管T3、T2和T6被接通，并且在第二电压脉冲期间，晶体管T4、T1和T5被接通。对于定子线圈对，在第一电压脉冲期间，晶体管T5、T2和T4被接通，并且在第二电压脉冲期间，晶体管T6、T1和T3被接通。因此，流过一个定子线圈对的总电流然后分别划分到另外两个定子线圈对上。图5A、图5B和图5C示出针对电角度
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAAAAAAAA
=0°、针对电角度
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAAAAAAAAA
=120°、以及针对电角度
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAAAAAAAAAA
=240°的直流电机的视图，其中绘出了由通电的电子线圈对所生成的磁场的磁力线分布。根据转子26的转动位置，磁力线或多或少地穿过永磁体27。由此，定子线圈对的电感改变。对于转转位置
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAAAAAAAAAAA
=0°，定子线圈对
Figure DEST_PATH_IMAGE024AAAAAAAAAAA
中的电流针对电压脉冲迅速升高，而该电流对于转动位置
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAAAAAAAAAAAA
=120°和
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAAAAAAAAAAAAA
=240°没有那么迅速地升高。与电流值成比例的电压值被输送给控制电路6。该控制电路6确定转子26是否位于转动位置
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAAAAAAAAAAAAAA
=0°。类似地，控制电路6还可以确定转子26是否位于转动位置
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAAAAAAAAAAAAAAA
=120°或
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAAAAAAAAAAAAAAAA
=240°。为了确定转动位置，控制电路6首先确定每个定子线圈对
Figure DEST_PATH_IMAGE024AAAAAAAAAAAA
，
Figure DEST_PATH_IMAGE026AAAAAAAAA
和
Figure DEST_PATH_IMAGE029AAAAAAAA
的针对第一电压脉冲和第二电压脉冲的电流增加的绝对值。然后，该控制电路6将针对每个定子线圈对的两个绝对值相加成加总的电流增加。然后，控制电路6确定三个加总电流增加中的最大的加总电流增加以及其它两个加总电流增加的平均值。控制电路6从最大的加总电流增加中减去其它两个加总电流增加的该平均值，并且将该减法结果与阈值相比较。如果该减法结果大于阈值，则这指示转子26位于如下转动位置中：在该转动位置中布置有具有最大加总电流升高的电流所流过的定子线圈。通过适当地选择阈值，可以限制或增大该转动位置的角度范围。控制电路6从一个或多个所获取的转动位置中计算，转子26何时位于这样的转动位置处，即在该转动位置处应当接通或关断晶体管T1至T6之一。控制电路6现在促使驱动电路7如所期望的那样在特定转动位置处接通或关断晶体管T1至T6。测试暂停在低转数范围内连续重复。在此，测试暂停的时间间隔连续减小，以便使转动位置的确定与提高的转数相适应。在一定时间以后，直流电机2达到了高转数（>500 U/min）。转子26的快速旋转的磁场现在可以在定子线圈对
Figure DEST_PATH_IMAGE024AAAAAAAAAAAAA
，
Figure DEST_PATH_IMAGE026AAAAAAAAAA
或中感应出可测量的电压。如所描述的那样，控制电路6在这些感应出的电压的符号在输出端22、23或24处变换时识别出这些电压的过零点。为获取转子的转动位置而对直流电机的正常运行的中断不再是必需的。这些过零点分别对应于一个特定的电角度
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
。图6示出所感应的电压与电角度有关的幅度。控制电路6从连续获取的过零点中计算出转数，并且从该转数和特定的电角度中推断出转子26何时位于这样的转动位置，即在该转动位置处应当接通或关断晶体管T1至T6之一。在此，控制电路6只使用严格定义的磁极，所述严格定义的磁极构造在永磁体27之前（图2中的S极），而不构造在永磁体27之间（图2中的N极）。此外为了确定转数，控制电路6优选地比较如下过零点：这些过零点分别对应于转子26绕360°的完整旋转并且因此属于特定磁极。在此，控制电路分析属于这两个严格定义的磁极的过零点，以便从尽可能多的数据中确定转子26的转动位置与时间的函数关系。这两个严格定义的磁极被偏移转子以180°的转动。控制电路6现在促使驱动电路如所期望的那样在特定的转动位置接通或关断晶体管T1至T6。

Claims (8)

1. 一种直流电机，具有转子（26）和定子（16），该转子（26）具有至少一个永磁体（27），该定子（16）具有至少三个定子线圈（                                               
Figure 2009801421039100001DEST_PATH_IMAGE002
），其中设置控制设备（6），该控制设备（6）被设立用于确定转子（26）的转动位置并且促使根据转子（26）的该转动位置来给定子线圈（
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
）通电，并且其中该控制设备（6）被设立用于根据在定子线圈（
Figure DEST_PATH_IMAGE002AA
）之一中所感应的电压来确定高转数范围内的转动位置，其特征在于，控制设备（6）被设立用于在定子线圈（
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAA
）之一上施加电压时根据电流来确定低转数范围内的转动位置。
2. 一种用于运行直流电机的方法，该直流电机具有转子（26）和定子（16），该转子（26）具有至少一个永磁体（27），该定子（16）具有至少三个定子线圈（
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAA
），其中根据转子（26）的转动位置给定子线圈（
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAA
）通电，以便驱动转子（26），其中所述直流电机从低转数范围过渡到高转数范围，其中根据在定子线圈（
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAAA
）中所感应的电压来确定转子（26）在高转数范围内的转动位置，其特征在于低转数范围内的如下步骤：
—施加电压到定子线圈（
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAAAA
）之一上；
—确定定子线圈（
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAAAAA
）之一上的电流；
—根据所述电流的分布确定转子位置；以及
—根据所获取的转动位置给定子线圈（
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAAAAAA
）通电。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，施加电压到至少一个另外的定子线圈（），确定在所述至少一个另外的定子线圈（
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAAAAAAAA
）上的另一电流，并且根据该另一电流的分布来确定转动位置。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所施加的电压是电压脉冲。
5. 根据权利要求4之一所述的方法，其特征在于，重复施加电压脉冲，并且重复施加电压脉冲之间的时间间隔减小。
6. 根据权利要求3至5之一所述的方法，其特征在于，所施加的电压变换极性，针对变换极性的电压确定定子线圈（）上的电流，并且根据针对变化极性的电压的电流的分布来确定转动位置。
7. 根据权利要求3至6之一所述的方法，其特征在于，将每个定子线圈（
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAAAAAAAAAA
）上的针对所述电压和针对所述变化极性的电压的电流增加的绝对值分别相加为加总电流增加，将最大的加总电流增加与其它的电流增加相比较，以便确定转动位置。
8. 根据权利要求2至7之一所述的方法，其特征在于，在高转数范围中，为了确定转数，针对多次的360°的电角度确定在定子线圈（
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAAAAAAAAAAA
）之一中所感应的电压的相同的电压值。
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