DE10121767A1

DE10121767A1 - Elektronisch kommutierte Mehrphasen-Synchronmaschine

Info

Publication number: DE10121767A1
Application number: DE10121767A
Authority: DE
Inventors: Harald Witzig
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-05-04
Filing date: 2001-05-04
Publication date: 2002-11-14
Also published as: US20030155884A1; US6737820B2; EP1388203A1; WO2002091557A1; JP2004519996A

Abstract

Es wird eine elektronisch kommutierte Mehrphasen-Synchronmaschine mit einem Rotor (13) und einem eine Statorwicklung (15) tragenden Stator (14) angegeben, der eine Schaltvorrichtung (10) aus einer Mehrzahl von den einzelnen Wicklungsphasen (151-153) der Statorwicklung (15) zugeordneten Halbleiterschaltern (T1-T6) zum Anschließen der Statorwicklung (15) an ein Gleichspannungsnetz (11) und eine Kommutierungsvorrichtung (17) zum folgerichtigen Ansteuern der Halbleiterschalter (T1-T6) mit Schaltsignalen, die von Rotordrehstellungssignalen abgeleitet sind, aufweist. Zur sensorlosen Erfassung der Rotordrehstellung sind im Stator (14) Hilfswicklungen (181-183) angeordnet, die jeweils mit einer Wicklungsphase (151-153) induktiv gekoppelt sind, wobei die Rotordrehstellungssignale aus den in den Hilfswicklungen (181-183) induzierten Spannungen abgeleitet sind (Fig. 1).

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer elektronisch kommutierten Mehrphasen-Synchronmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einem bekannten Dreiphasen-Synchronmotor, auch EC-Motor genannt, (DE 40 40 926 C1) ist die Statorwicklung in Sternschaltung ausgeführt, deren Sternpunkt an das positive Potential des Gleichspannungsnetzes angeschlossen ist. Die Schaltungsvorrichtung zum Betreiben des Synchronmotors weist drei als MOS-FET ausgebildete Leistungstransistoren auf, die jeweils in Reihe mit einer Wicklungsphase der Statorwicklung liegen, wobei deren Drains an der jeweils zugeordneten Wicklungsphase und deren Sources über einen gemeinsamen Widerstand an dem unteren Potential bzw. dem Massepotential des Gleichspannungsnetzes liegen. An den Gates der Leistungs- MOS-FETs werden die von der Kommutierungsvorrichtung erzeugten Schaltsignale gelegt, und zwar nach Differenzbildung mit einer am Widerstand abgenommenen Referenzspannung. Zur Rotorstellungsabfrage sind drei Positionssensoren vorgesehen, die entsprechend der Drehstellung des Rotors oder Läufers Ausgangssignale erzeugen, die in einer Gatterschaltung in ein Dreiphasensignal ohne Überlappung mit einer Teilung von 120° elektrisch umgeformt werden. Das Dreiphasensignal wird der Kommutierungsvorrichtung zugeführt, die die angesprochenen Schaltsignale, die jeweils aus einer Folge von periodischen Rechteckimpulsen zusammengesetzt sind, für die Leistungstransistoren generiert.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße elektronisch kommutierte Mehrphasen- Synchronmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil einer sensorlosen Erfassung der Rotordrehstellung, die unter Kostengesichtspunkten sehr attraktiv ist. Die Auswertung der in der mindestens einen Hilfswicklung induzierten Spannung zur Erlangung einer Information über die Rotordrehlage ist mit wenig Schaltungsaufwand in einfacher Weise möglich.

Die Einbringung von nur einer Hilfswicklung in den Stator, und zwar in Zuordnung zu einer Wicklungsphase, liefert nur eine Rotordrehstellungsinformation pro elektrischer Umdrehung der Synchronmaschine, was aber für Antriebe mit geringen Dynamikanforderungen oftmals ausreichend ist. Für eine höhere Dynamikanforderung wird jeder Wicklungsphase eine Hilfswicklung zugeordnet, so daß die Schaltsignale für jede Wicklungsphase der Statorwicklung mit der Rotordrehstellung synchronisiert werden, bei einer Dreiphasen-Synchronmaschine also eine Synchronisation während jeder Verdrehung des Rotors um 120° elektrisch erfolgt.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Synchronmaschine möglich.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist jeder Hilfswicklung ein Nulldurchgangsdetektor zugeordnet, der das Über- und Unterschreiten eines Bezugspotentials durch die in jeder Hilfswicklung induzierte Spannung erfaßt und als Rotordrehstellungssignal ausgibt. Das Bezugspotential ist vorzugsweise Masse kann aber auch mit einer Referenzspannungsquelle definiert eingestellt werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist jede Hilfswicklung aus einem Wicklungsdraht mit kleinem Drahtquerschnitt gefertigt. Dadurch beanspruchen die Hilfswicklungen nur wenig Wickelraum im Stator. Der kleine Drahtquerschnitt oder Drahtdurchmesser ist möglich, da in den Hilfswicklungen nur minimale Ströme fließen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden die Hilfswicklungen mit einer möglichst großen Windungszahl gewickelt, wodurch sich die Amplitude der induzierten Spannungen erhöht und diese besser ausgewertet werden können.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines elektronisch kommutierten Dreiphasen-Synchronmotors,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der Kommutierungsvorrichtung in Fig. 1,

Fig. 3 ein Diagramm verschiedener Signale in der Kommutierungsvorrichtung der Synchronmaschine gemäß Fig. 1.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Der in Fig. 1 in Verbindung mit einer Schaltungsvorrichtung 10 an einem Gleichspannungsnetz 11 betriebene, elektronisch kommutierte Dreiphasen-Synchronmotor, im folgenden kurz EC- Motor 12 genannt, als Ausführungsbeispiel einer allgemeinen elektronisch kommutierten Mehrphasen-Synchronmaschine, weist einen permanentmagneterregten Rotor 13 und einen Stator 14 mit einer in Stern geschalteten Statorwicklung 15 auf, deren drei Wicklungsphasen 151, 152 und 153 um 120° elektrisch zueinander am Umfang des Stators 14 versetzt angeordnet sind.

Die Schaltvorrichtung 10 weist insgesamt sechs als MOS-FET ausgebildete Leistungstransistoren T1-T6 als Ausführungsbeispiel allgemeiner Halbleiterschalter auf, von denen jeweils zwei Leistungstransistoren T1, T2 bzw. T3, T4 bzw. T5, T6 in Reihe geschaltet sind. Ihr gemeinsamer Verbindungspunkt ist jeweils auf einen der Wicklungsanschlüsse der Statorwicklung 15 gelegt. Die drei Reihenschaltungen der Leistungstransistoren T1-T6 sind parallelgeschaltet, die Parallelschaltung ist an das Gleichspannungsnetz 11 angeschlossen, und der Parallelschaltung ist ein Kondensator 16 parallelgeschaltet. Die Leistungstransistoren T1-T6 werden von einer Kommutierungsvorrichtung 17 getriggert, wobei die von der Kommutierungsvorrichtung 17 erzeugten Schaltsignale an die Steuereingänge der Leistungstransitoren T1-T6, also an die Gates der MOS-FETs, gelegt sind. Die Schaltsignale werden von der Kommutierungsvorrichtung 17 in Abhängigkeit von Rotordrehstellungssignalen gebildet, die Informationen über die momentane Drehstellung des Rotors 13 des EC-Motors 12 liefern.

Zur Gewinnung der Rotordrehstellungssignale sind im Stator 14 des EC-Motors 12 drei Hilfswicklungen 181, 182 und 183 angeordnet. Jeweils eine Hilfswicklung 181-183 ist einer der Wicklungsphasen 151-153 der Statorwicklung 15 zugeordnet und mit dieser induktiv gekoppelt. Die einen Wicklungsenden der Hilfswicklungen 181-183 sind auf einen gemeinsamen Sternpunkt 19 gelegt und die anderen Wicklungsenden der Hilfswicklungen 181-183 sind zu der Kommutierungsvorrichtung 17 geführt. Auch der Sternpunkt 19 ist zu der Kommutierungsvorrichtung 17 herausgeführt. Jede Hilfswicklung 181-183 ist aus einem Wickeldraht mit kleinem Drahtquerschnitt gefertigt, so daß sie im Stator 14 wenig Bauraum beansprucht. Jede Hilfswicklung 181-183 ist mit einer möglichst großen Windungszahl ausgeführt, um die Amplitude der in den Hilfswicklung 181-183 induzierten Spannung zu erhöhen. Aus den induzierten Spannungen der Hilfswicklungen 181-183 werden in der Kommutierungsvorrichtung 17 die Rotordrehstellungssignale abgeleitet, und mit den Rotordrehstellungssignalen werden die Schaltsignale für die Leistungstransitoren T1-T6 gebildet.

Die Kommutierungsvorrichtung 17 ist in Fig. 2 im Blockschaltbild detaillierter dargestellt. An den Eingängen 1, 2, 3 und S der Kommutierungsvorrichtung 17 sind die Hilfswicklungen 181, 182, 183 und der Sternpunkt 19 angeschlossen. Mit je einem der Eingängen 1, 2 und 3 ist der eine von zwei Eingängen von drei Nulldurchgangsdetektoren 211, 212 und 213 verbunden, deren anderer Eingang mit einem Bezugspotential, z. B. Massepotential, belegt ist. An dieses Bezugspotential ist über den Eingang S auch der Sternpunkt 19 der Hilfswicklungen 181-183 angeschlossen. Alternativ kann dieses feste Bezugspotential auch von einer Referenzspannungsquelle 20, die in Fig. 2 strichliniert dargestellt ist, abgegriffen werden. In jedem einer Hilfswicklung 181-183 zugeordneten Nulldurchgangsdetektor 211-213 wird das Über- und Unterschreiten des Bezugspotentials durch die in der zugeordneten Hilfswicklung 181-183 induzierte Spannung detektiert und am Ausgang des Nulldurchgangsdetektors 211-213 jeweils als Rotordrehstellungssignal ausgegeben. Die Rotordrehstellungssignale sind einem Triggerimpulsgenerator 22 zugeführt, in dem die Triggerimpulse mit den Rotordrehstellungssignalen synchronisiert werden, so daß an den Ausgängen 1-6 der Kommutierungsvorrichtung 17 die einzelnen Schaltsignale für die Leistungstransistoren T1-T6 folgerichtig auftreten. Die Schaltsignalerzeugung in der Kommutierungsvorrichtung 17 ist in den Diagrammen der Fig. 3 dargestellt. Dabei zeigt das Diagramm die in den Hilfswicklungen 151-153 induzierten, an den Eingängen 1, 2 und 3 der Kommutierungsvorrichtung 17 liegenden Spannungen, das Diagramm b die von den Nulldurchgangsdetektoren 211-213 erzeugten Rotordrehstellungssignale und das Diagramm c die an den Ausgängen 1-6 der Kommutierungsvorrichtung 17 abnehmbaren Schaltsignale für die Leistungstransistoren T1- T6, jeweils über eine Drehung des Rotors 13 von 360° elektrisch.

Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel eines elektronisch kommutierten Dreiphasen-Synchronmotors beschränkt. So kann im Stator nur eine einzige Hilfswicklung vorgesehen werden, die mit nur einer Wicklungsphase induktiv gekoppelt ist. Damit wird pro elektrischer Umdrehung nur eine Rotordrehstellungsinformation erhalten, was aber für Antriebe mit geringen Dynamikanforderungen oftmals ausreichend ist. Als Bezugspotential für die Nulldurchgangsdetektoren kann auch die volle oder geteilte Netzspannung des Gleichspannungsnetzes 11 verwendet werden. Auch ist die Ausführung der Statorwicklung der Synchronmaschine nicht auf drei Wicklungsphasen beschränkt.

Claims

1. Elektronisch kommutierte Mehrphasen-Synchronmaschine mit einem Rotor (13) und einem Stator (14), der eine aus mehreren Wicklungsphasen (151-153) bestehende Statorwicklung (15) aufweist, mit einer Schaltvorrichtung (10) zum Anschließen der Statorwicklung (15) an ein Gleichspannungsnetz (11), die eine Mehrzahl von den einzelnen Wicklungsphasen (151- 153) zugeordneten Halbleiterschaltern (T1-T6) aufweist, und mit einer Kommutierungsvorrichtung (17) zum folgerichtigen Ansteuern der Halbleiterschalter (T1 -T6) mit Schaltsignalen, die abhängig von die Rotordrehstellung angebenden Rotordrehstellungssignalen gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß im Stator (14) mindestens eine mit einer Wicklungsphase induktiv gekoppelte Hilfswicklung angeordnet ist und daß die Rotordrehstellungssignale aus einer in der mindestens einen Hilfswicklung induzierten Spannung abgeleitet sind.

2. Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wicklungsphase (151-153) eine Hilfswicklung (181-183) zugeordnet ist und daß die einen Enden der Hilfswicklungen (181-183) auf einen Sternpunkt (19) gelegt sind und zwischen den anderen Enden der Hilfswicklungen (181-183) und dem Sternpunkt (19) die in jeder Hilfswicklung (181-183) induzierte Spannung abgenommen ist.

3. Synchronmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Hilfswicklung (181-183) ein Nulldurchgangsdetektor (211-213) zugeordnet ist, der das Über- und Unterschreiten eines Bezugspotentials durch die in der Hilfswicklung (181-183) induzierte Spannung detektiert und jeweils als Rotordrehstellungssignal ausgibt.

4. Synchronmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sternpunkt (19) der Hilfswicklungen (181-183) auf das Bezugspotential gelegt ist.

5. Synchronmaschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Bezugspotential vom Pluspol oder Massepol des Gleichspannungsnetzes (11) abgenommen ist.

6. Synchronmaschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Bezugspotential von einer Referenzspannungsquelle (20) abgegriffen ist.

7. Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß jede Hilfswicklung (181-183) aus einem Wicklungsdraht mit kleinem Drahtquerschnitt gefertigt ist.

8. Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß jede Hilfswicklung (181-183) mit einer möglichst großen Wicklungszahl ausgeführt ist.