CN102934354B - 具有脉冲宽度调制器的电动机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有定子和转子的电动机。电动机还具有控制单元，其中控制单元与定子和/或转子连接并且被构造用于向定子和/或转子供电以使转子转动。根据本发明，控制单元具有脉冲宽度调制器，其被构造成为了控制电动机的功率输出而产生预先确定数量的彼此不同的供电模式。这些供电模式分别代表电动机的一个功率输出并且优选具有一些分别具有一个电流脉冲持续时间的电流脉冲的时间序列。控制单元被构造成为了控制电动机而在控制的时间间隔期间根据至少两个彼此不同的供电模式如此向电动机供电，使得电动机在控制的时间间隔的时间平均上——尤其是从时间间隔的开始直到结束——的功率输出与由时间间隔中的供电模式代表的功率输出不同。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有定子和转子的电动机。所述电动机还具有控制单元，其中所述控制单元与定子和/或转子连接并且被构造用于向定子和/或转子供电以使转子转动。
背景技术
由DE102007031548A1公开了一种电动机和一种用于控制电动机的方法，其中脉冲宽度调制器交替地接通两个半导体开关。通过交替地接通两个半导体开关实现所有半导体的均匀加热。
发明内容
根据本发明，控制单元具有脉冲宽度调制器，所述脉冲宽度调制器被构造成为了控制电动机的功率输出而产生预先确定数量的彼此不同的供电模式。这些供电模式分别代表电动机的一个功率输出并且优选具有一些分别具有一个电流脉冲持续时间的电流脉冲和（还优选）一些分别具有一个脉冲间隙持续时间的脉冲间隙的时间序列。
控制单元被构造成为了控制电动机——优选以与由一个供电模式代表的功率不同的功率——在所述控制的时间间隔期间根据至少两个彼此不同的供电模式如此向电动机供电，使得在所述控制的时间间隔的时间平均上——尤其是从所述时间间隔的开始直到结束——电动机的功率输出与由所述控制的时间间隔中的供电模式代表的功率输出不同。所述控制的时间间隔以下也称作时间间隔。
通过如此构造的脉冲宽度调制器可以有利地产生电动机的至少一个功率输出，其与由预先确定的供电模式代表的功率输出不同，尤其是更大或更小。此外有利地，这样可以借助于电动机产生功率输出，这些功率输出分别作为具有电流脉冲的时间序列的供电模式在功率末级中产生损耗功率，所述损耗功率可能损害所述功率末级。此外有利地，这样可以避免要求功率末级的开关时间的供电模式，所述开关时间由于功率末级的开关边沿的较小边沿陡度而可能无法实现。
在电动机的一个优选实施方式中，时间间隔的时间平均上的电动机的功率输出大于时间间隔中由一个供电模式代表的、最小的功率输出。由此可以有利地调节电动机的功率输出，所述功率输出例如位于0%与100%之间的功率输出范围的上三分之一中。例如，在功率输出小于100%时，功率末级中的损耗功率高，或者开关边沿的所需边沿陡度非常陡。
在一个优选的实施方式中，控制单元被构造用于产生一些分别具有小于所述时间间隔的持续时间的供电模式间隔以及在供电模式间隔期间以预先确定的供电模式向电动机供电，其中所述时间间隔仅仅具有供电模式间隔。优选地，彼此不同的供电模式间隔在所述控制的时间间隔中在最大程度上频繁地彼此交替。
由此有利地实现：时间间隔因此不具有供电模式间隙。因此，时间间隔由此是无消隐窗的。
由此还有利地实现：对于时间间隔的每个部分，电动机的转矩都可供使用。
在一个优选的实施方式中，供电模式间隔的持续时间的长度是分别相同的。由此，产生供电模式间隔的时钟发生器可以有利地产生分别具有相同的持续时间的供电模式间隔。
在电动机的一个优选的实施方式中，在所述时间间隔中电动机的功率输出大于电动机的最大功率输出的80%、优选90%并且小于电动机的最大功率输出的100%。
这样可以有利地避免在大于最大功率输出的80%、优选90%并且小于功率输出的100%时以一个脉冲宽度调制地驱动定子和/或转子的供电模式产生的损耗功率。例如，功率末级中的损耗功率在100%的功率输出时由于没有开关损耗而例如小于在99%时。
在电动机的一个有利的实施方式中，电动机是电刷换向的直流电动机。电刷换向的直流电动机具有例如两个或四个电刷，尤其是碳刷。直流电动机例如是串励电动机，在所述串励电动机中转子与定子串联地电连接。在另一个实施方式中，直流电动机是并励电动机，在所述并励电动机中定子和转子彼此并联地连接。
与串励电动机或并励电动机不同地，电动机可以有利地具有优选永磁性地构造的定子。
在电动机的一个优选的实施方式中，控制单元被构造用于以至少三个或者恰好三个彼此不同的、分别代表一个运行状态的时间间隔来控制电动机，其中这些运行状态中的一个运行状态具有所述时间间隔，其具有至少两个彼此不同的供电模式，其中最大功率的另一时间间隔仅仅具有代表最大功率输出的供电模式，并且另一时间间隔具有一个预先确定的供电模式中的仅仅一个，其代表比最大功率输出更小的功率输出。由此，可以有利地以至少三个运行状态运行电动机。在所述至少三个运行状态中，一个运行状态代表具有最大功率的运行状态，另一个运行状态代表具有比最大功率的功率输出更小的功率输出的运行状态，并且一个禁止的运行状态代表控制单元以彼此不同的供电模式调制地控制功率末级的运行状态。
本发明还涉及一种用于运行电动机的方法，在所述方法中，向电动机的定子和/或转子供电以使转子转动，其中为了控制电动机的功率输出以预先确定数量的彼此不同的供电模式中的至少一个来控制电动机。供电模式分别代表电动机的一个功率输出并且优选具有一些电流脉冲以及（还优选）一些脉冲间隙的时间序列，这些电流脉冲分别具有一个电流脉冲持续时间，这些脉冲间隙具有一个脉冲间隙持续时间，其中为了以与由一个预先确定的供电模式代表的功率不同的功率来控制电动机，在所述控制的时间间隔期间以至少两个彼此不同的供电模式如此向电动机供电，使得在时间间隔的时间平均上——尤其是从时间间隔的开始直到结束——电动机的功率输出与由时间间隔中的供电模式代表的功率输出不相同。
在所述方法的一个优选变型方案中，电动机在时间间隔的时间平均上的功率输出大于时间间隔中由一个供电模式代表的、最小的功率输出。
在所述方法的一个优选的实施方式中，为了向电动机供电，分别产生一些具有小于时间间隔的持续时间的供电模式间隔，并且在供电模式间隔期间以预先确定的供电模式向电动机供电，其中所述时间间隔仅仅具有供电模式间隔。
附图说明
现在以下根据其他实施例以及根据附图来说明本发明。其他有利的实施变型方案由在从属权利要求中说明的特征以及由在附图描述中描述的特征得出。
图1示出电动机的实施例；
图2示出表的实施例，在所述表中对比了功率输出与相应于功率输出的供电模式组合；
图3示出电动机的功率输出的时间变化的实施例，所述时间变化具有三个彼此不同的区域；
图4示出一个图，在所述图中示出了功率曲线，所述功率曲线分别代表电动机的功率末级的损耗功率；
图5示出用于运行电动机的方法的实施例。
具体实施方式
图1示出电动机1的实施例。电动机1具有定子3和转子5。电动机1还具有控制单元7，其中所述控制单元7通过碳刷8和9与转子5连接。电动机的定子在所述实施例中永磁性地构造。
控制单元7与存储器11连接，所述存储器被构造用于存储多个供电模式，在这些供电模式中示例性地示出了供电模式13。这些供电模式分别由一个数据记录代表。控制单元7被构造用于从存储器11中读出至少一个供电模式、例如供电模式13并且借助于脉冲宽度调制器6产生分别具有一个电流脉冲持续时间的电流脉冲或（附加地）分别具有一个脉冲间隙持续时间的脉冲间隙的时间序列，其中电流脉冲或（附加地）脉冲间隙的时间序列共同代表所述供电模式。控制单元7借助于连接线路15与功率末级4连接。控制单元7被构造用于根据所述供电模式通过连接线路15来控制功率末级4。功率末级4根据所述供电模式通过碳刷8和9向电动机的转子5供电。电动机1随后产生由所述供电模式代表的功率输出。
图2示出表10，在所述表中在列12中示出了电动机的一些预先确定的功率输出，这些功率输出分别代表在控制的时间间隔14中电动机的待产生的功率输出。在列16中给出了相对于相应的时间间隔14的开关变换比。
列20、21、22、23、24、25、26和27分别代表一个供电模式间隔，其中在所述供电模式间隔中以一个预先确定的供电模式向功率末级供电。
电动机的控制单元例如被构造成为了产生93%的有效功率输出以在供电模式间隔20期间导致92%的功率输出、在供电模式间隔21中导致92%的功率输出、在供电模式间隔22中导致92%的功率输出、在供电模式间隔23中导致92%的功率输出、在供电模式间隔24中导致92%的功率输出、在供电模式间隔25中导致92%的功率输出、在供电模式间隔26中导致92%的功率输出、在供电模式间隔27中导致100%的功率输出的供电模式来控制功率末级（分别相对于电动机的全功率输出）。在此情况下，具有100%功率输出的供电模式间隔与具有92%的功率输出的供电模式间隔之间的比是1比7。彼此不同的供电模式间隔在控制的时间间隔14中在最大程度上频繁地彼此交替，使得与至少一个另外的供电模式间隔相比具有更大损耗功率的供电模式间隔在所述时间间隔中尽可能均匀地分布。
图3示出电动机、例如在图1中示出的电动机1的功率输出的时间变化。
时间变化30示出时间轴40以及三个时间范围32、34和36。在时间范围32期间，由控制单元7以一个供电模式控制在图1中示出的电动机的转子5，所述供电模式代表电动机1的全功率输出的86%的功率输出。在相应于前述时间间隔的时间范围34期间，以两个彼此不同的供电模式控制电动机，所述供电模式在所述示例中分别均匀地包含在所述时间间隔内。
为此，时间间隔34包括多个供电模式间隔，在所述实施例中为8个供电模式间隔，在这些供电模式间隔中示例性地示出了供电模式间隔38。在这些供电模式间隔期间，分别以一个供电模式控制图1中的电动机1的功率末级4。供电模式代表在图3中分别由时间范围32、34和36的区域说明的功率输出。因此，时间范围32、34和36分别代表电动机的一个运行状态。
图4示出图50。图50具有横坐标52和纵坐标54。横坐标52代表在图1中示出的电动机1的功率输出，纵坐标54代表电动机1的末级4的损耗功率。
示出了曲线56，所述曲线代表电动机1的损耗功率，所述电动机由预先确定的供电模式中的仅仅一个供电模式控制以用于产生功率输出。在100%功率输出时，损耗功率例如与在70%的功率输出时完全相等。
还示出了一个点状曲线，其中示例性地示出了点57。点状曲线的点58和59分别代表在功率输出相同时小于由曲线56代表的相应损耗功率的损耗功率。
点58和59分别代表图1中的电动机的一种运行，在所述运行中在图3中的时间间隔34期间以两个彼此不同的供电模式来控制功率末级4。损耗功率在时间间隔34期间小于借助于曲线56示出的、在功率输出相同时以仅仅一个供电模式进行控制的情况下的损耗功率。
图5示出用于运行电动机、尤其是直流电动机的方法60的实施例。
在步骤62中，以预先确定的功率输出运行并且为此以预先确定数量的所存储的供电模式中的一个供电模式向电动机、例如在图1中示出的电动机1供电。
在步骤63中，以小于最大功率输出并且大于步骤62中的功率输出的功率输出来运行电动机，其中在步骤63中在一个时间间隔、例如图3中的时间间隔34期间以分别具有一个供电模式的至少两个或者恰好两个彼此不同的供电模式间隔向电动机供电，这些供电模式间隔以预先确定的比例包含在所述时间间隔内。
在步骤64中，以全功率运行电动机。步骤62、63和64相应于电动机的功率输出的增大。步骤65相应于步骤64，步骤66相应于步骤63并且步骤67相应于步骤62。在步骤64和65之间功率增大到全功率之后，由虚线所示，电动机的功率输出在所述实施例中减小。因此，步骤65、66和67相应于所输出的功率从全功率经由具有调制的供电模式控制的较小功率直到小于具有调制的供电模式控制的功率的功率输出的功率减小，在所述功率输出中恒定地以一个供电模式来控制电动机。
供电模式彼此交替或者供电模式间隔相继出现的示例性频率（以下也称作反复频率）在250与2000赫兹之间、优选是1000赫兹。脉冲宽度调制频率例如在15和40千赫兹之间、优选在18和30千赫兹之间。优选地，脉冲宽度调制频率至少是反复频率的二十倍，优选至少或恰好是反复频率的三十倍。
Claims (12)
1.电动机(1)，所述电动机具有定子(3)和转子(5)并且具有控制单元(7)，所述控制单元与所述定子(3)和/或所述转子(5)连接并且被构造用于向所述定子(3)和/或转子(5)供电以使所述转子(5)转动，
其特征在于，
所述控制单元(7)具有脉冲宽度调制器(6)，所述脉冲宽度调制器被构造成为了控制所述电动机(1)的功率输出而产生预先确定数量的彼此不同的供电模式(20，21)，其中，这些供电模式(20，21)分别代表所述电动机(1)的一个功率输出并且具有一些分别具有一个电流脉冲持续时间的电流脉冲的时间序列，其中，所述控制单元(7)被构造成为了以与由一个预先确定的供电模式代表的功率不同的功率来控制所述电动机(1)而在所述控制的时间间隔(34)期间根据至少两个彼此不同的供电模式(20，21)如此向所述电动机供电，使得所述电动机在所述时间间隔(34)的时间平均上的功率输出与由所述时间间隔(34)中的供电模式(20，21)代表的功率输出不同，并且损耗功率在所述时间间隔(34)期间小于在功率输出相同时以仅仅一个供电模式进行控制的情况下的损耗功率。
2.根据权利要求1所述的电动机(1)，其特征在于，所述电动机(1)在所述时间间隔(34)的时间平均上的功率输出大于在所述时间间隔(34)中由一个供电模式(20)代表的、最小的功率输出。
3.根据权利要求1或2所述的电动机(1)，其特征在于，所述控制单元(7)被构造用于产生一些分别具有一个小于所述控制的时间间隔(34)的持续时间的供电模式间隔(20，21，22，23，24，25，26，27)以及在这些供电模式间隔(20，21，22，23，24，25，26，27)期间以一个预先确定的供电模式向所述电动机供电，其中，所述时间间隔(34)仅仅具有供电模式间隔(20，21，22，23，24，25，26，27)。
4.根据权利要求3所述的电动机(1)，其特征在于，在所述时间间隔(34)中，所述电动机(1)的功率输出大于所述电动机(1)的最大功率输出的80％并且小于所述电动机(1)的最大功率输出的100％。
5.根据权利要求1或2所述的电动机(1)，其特征在于，所述电动机(1)是借助于电刷(8，9)换向的直流电动机(1)。
6.根据权利要求1或2所述的电动机(1)，其特征在于，所述电动机(1)的定子是永磁性地构造的。
7.根据权利要求1或2所述的电动机(1)，其特征在于，所述控制单元(7)被构造成以至少三个或者恰好三个彼此不同的、分别代表一个运行状态的时间间隔(32，34，36)来控制所述电动机(1)，其中，一个运行状态(34)是具有至少两个彼此不同的供电模式的时间间隔(34)，最大功率的时间间隔(36)仅仅具有代表最大功率输出的供电模式而另一个时间间隔(32)仅仅具有预先确定的供电模式中的代表小于所述最大功率输出的功率输出的供电模式。
8.根据权利要求1所述的电动机(1)，其特征在于，所述电动机在所述时间间隔(34)的时间平均上——从所述时间间隔(34)的开始直到结束——的功率输出与由所述时间间隔(34)中的供电模式(20，21)代表的功率输出不同。
9.用于运行电动机的方法(60)，在所述方法中，向所述电动机(1)的定子(3)和/或转子(5)供电以使所述转子(5)转动，
其特征在于，
为了控制所述电动机(1)的功率输出，以预先确定数量的彼此不同的供电模式(20，21)中的至少一个来控制所述电动机(1)，其中，这些供电模式(20，21)分别代表所述电动机(1)的一个功率输出并且具有一些分别具有一个电流脉冲持续时间的电流脉冲的时间序列，其中，为了以与由一个预先确定的供电模式代表的功率不同的功率(34)来控制所述电动机(1)，在所述控制的时间间隔(34)期间以至少两个彼此不同的供电模式(20，21)如此向所述电动机(1)供电，使得所述电动机在所述控制的时间间隔(34)的时间平均上的功率输出与由所述控制的时间间隔(34)中的供电模式(20，21)代表的功率输出不同，并且损耗功率在所述时间间隔(34)期间小于在功率输出相同时以仅仅一个供电模式进行控制的情况下的损耗功率。
10.根据权利要求9所述的方法(60)，其特征在于，所述电动机(1)在所述控制的时间间隔(34)的时间平均上的功率输出大于在所述控制的时间间隔(34)中由一个供电模式(20)代表的、最小的功率输出。
11.根据权利要求9或10所述的方法(60)，其特征在于，为了向所述电动机(1)供电，产生一些分别具有小于所述控制的时间间隔(34)的持续时间的供电模式间隔(20，21，22，23，24，25，26，27)，以及在这些供电模式间隔(20，21，22，23，24，25，26，27)期间以一个预先确定的供电模式向所述电动机(1)供电，其中，所述控制的时间间隔(34)仅仅具有供电模式间隔。
12.根据权利要求9所述的方法(60)，其特征在于，在所述控制的时间间隔(34)期间以至少两个彼此不同的供电模式(20，21)如此向所述电动机(1)供电，使得所述电动机在所述控制的时间间隔(34)的时间平均上——从所述控制的时间间隔(34)的开始直到结束——的功率输出与由所述控制的时间间隔(34)中的供电模式(20，21)代表的功率输出不同。
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