Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektronisch
kommutierten Motor mit einer Rotor-Positionsermittlung
anzugeben, die eine hohe Genauigkeit bietet.
Die Erfindung wird durch die im unabhängigen Anspruch
angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteile der Erfindung
Bei dem erfindungsgemäßen elektronisch kommutierten Motor
wird bei der Positionsermittlung die gesamte Fläche
berücksichtigt, an denen sich Rotor- und Statorpole
gegenüberstehen. Hierbei sind die Polwinkel von Rotor- und Statorpolen
jeweils auf Werte festzulegen, bei denen eine Rotordrehung
eine Flächenänderung ergibt.
Die Erfindung stellt die Rotorposition innerhalb eines
Winkelbereichs der Rotordrehung mit hoher Genauigkeit zur
Verfügung. Der Winkelbereich der Rotordrehung hängt ab von der
Polzahl des Rotors. Bei einem vier-poligen Rotor genügt es,
die Position innerhalb eines Winkelbereichs von 90° zu
ermitteln. Bei einem sechs-poligen Rotor reichen bereits 60°.
Innerhalb dieser Winkelbereiche der Rotordrehung kann eine
grobe Positionsermittlung beispielsweise mit der aus dem
Stand der Technik genannten Vorrichtung erfolgen. Hierbei
wird eine Genauigkeit von +/-15° bei einem dreiphasigen
Motor mit 6 Stator- und 4 Rotorpolen erreicht. Innerhalb
dieses Winkelbereichs erhöht die Erfindung die Genauigkeit bis
unter 1°. Die Festlegung der Polwinkel von Rotor- und
Statorpolen kann entweder experimentell oder anhand von
Tabellen vorgenommen werden. Vorzugsweise sind diejenigen Werte
auszuwählen, bei denen eine maximale Flächenänderung bei
einer Rotordrehung auftritt.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des
erfindungsgemäßen elektronisch kommutierten Motors ergeben sich
aus abhängigen Ansprüchen.
Eine zweckmäßige Ausgestaltung sieht vor, dass der
Rotorpolwinkel gleich dem Statorpolwinkel ist. Außer den Vorteilen,
die sich beim Betrachten des magnetischen Flusses ergeben,
weist diese Ausgestaltung den Vorteil auf, dass die
Festlegung der Polwinkel von Rotor- und Statorpolen vereinfacht
ist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Stator
zumindest zweiteilig ausgestaltet ist und dass die Messung
der Kapazität zwischen den zumindest zwei Statorteilen zur
Ermittlung der Position herangezogen wird. Die kapazitive
Kopplung entsteht zum einen an den durch die Teilung des
Stators entstandenen Statorsegmenten zum anderen an den
positionsabhängigen Überlappungsflächen zwischen den Rotor-
und Statorpolen.
Eine alternative Ausgestaltung sieht vor, dass die
Induktivität der gesamten Anordnung aus Rotor und Stator erfasst
wird. Hierbei enthalten einige Pole, vorzugsweise sämtliche
Pole, des Rotors eine Sensorwicklung, wobei sämtliche
Wicklungen vorzugsweise in Serie geschaltet werden.
Eine andere Ausgestaltung sieht die Kombination der Messung
der Kapazität und der Induktivität vor. Die Induktivität und
die Kapazität werden zu einem Schwingkreis, beispielsweise
einem Serienschwingkreis zusammengeschaltet. Ein
frequenzvariabler Generator regt den Schwingkreis an, wobei die
Schwingkreisspannung erfasst wird. Anhand einer Änderung der
Frequenz des frequenzvariablen Generators kann die
Resonanzfrequenz des Schwingkreises festgestellt werden, die ein Maß
für die Position des Rotors ist.
Der erfindungsgemäße elektronisch kommutierte Motor ist
beispielsweise als geschalteter Reluktanzmotor realisiert, der
sich durch einen robusten Aufbau auszeichnet, da der Rotor
keine weiteren elektrischen Bauteile enthält.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des
erfindungsgemäßen elektronisch kommutierten Motors ergeben
sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der
folgenden Beschreibung.
Zeichnung
Fig. 1 zeigt eine Skizze eines elektronisch kommutierten
Motors, der im gezeigten Ausführungsbeispiel 6 Stator- und 4
Rotorpole aufweist, Fig. 2a zeigt eine induktive
Positionsermittlung, Fig. 2b zeigt eine kapazitive
Prezisionsermittlung und Fig. 2c zeigt eine Positionsermittlung mit
einem Schwingkreis.
In Fig. 1 ist als Beispiel eines elektronisch kommutierten
Motors ein geschalteter Reluktanzmotor gezeigt, der einen
ersten bis sechsten Statorpol 10-15 und einen Rotor 16 mit
einem ersten bis vierten Rotorpol 17-20 aufweist.
Die Statorpole 10-15 weisen einen Statorpolwinkel βS und die
Rotorpole 17-20 einen Rotorpolwinkel βR auf. die Statorpole
10-15 sind mit einer ersten bis sechsten Polwicklung 21-26
und jeweils mit einer ersten bis sechsten Sensorwicklung
27-32 versehen.
Die erste bis sechste Polwicklungen weisen erste bis sechste
Polwicklungsanschlüsse 33-38 auf. Die erste bis sechste
Sensorwicklungen 27-32 sind in Serie zueinander geschaltet,
wobei die Serienschaltung an einen ersten Sensoranschluss 39
geführt ist.
Der Stator 16 des elektronisch kommutierten Motors ist in
ein erstes und zweites Statorsegment 40, 41 aufgeteilt, die
an einer ersten und zweiten Trennstelle 42, 43
zusammengefügt sind. Die beiden Statorsegmente 40, 41 sind jeweils
elektrisch kontaktiert und führen zu einem zweiten
Sensoranschluss 44.
Die Statorpole 10-15 weisen auf ihren Stirnseiten erste bis
sechste Statorpolflächen 45-50 und der Rotor 16 auf den
Stirnseiten seiner Rotorpole 17-20 erste bis vierte
Rotorpolflächen 51-54 auf.
Fig. 2a zeigt eine erste Sensorsignalauswertung 60, die mit
dem ersten Sensoranschluss 39 verbunden ist. Die erste
Sensorsignalauswertung 60 ermittelt die Induktivität 61 der
Anordnung, welche den ersten bis sechsten Statorpol 10-15
sowie den Rotor 16 mit einem ersten bis vierten Rotorpol 17-20
aufweist. In Abhängigkeit von der Induktivität 61 gibt die
erste Sensorsignalauswertung 60 ein Ausgangssignal 62 als
Maß für die Fläche aus, an denen sich die Rotor- und
Statorpolflächen 45-50; 51-54 gegenüberstehen.
Fig. 2b zeigt eine zweite Sensorsignalauswertung 70, die
mit dem zweiten Sensoranschluss 44 verbunden ist. Die zweite
Sensorsignalauswertung 70 ermittelt die Kapazität 71, die
zwischen den beiden Statorsegmenten 40, 41 auftritt. Die
zweite Sensorsignalauswertung 70 gibt ein Ausgangssignal 72
ab, das ebenfalls ein Maß ist für die Fläche, an denen sich
die Rotor- und Statorpolflächen 45-50; 51-54
gegenüberstehen.
Fig. 2c zeigt eine dritte Sensorsignalauswertung 80, die
sowohl mit dem ersten Sensoranschluss 39 als auch mit dem
zweiten Sensoranschluss 44 verbunden ist. Die dritte
Sensorsignalauswertung 80 enthält einen Schwingkreis mit der
Induktivität 61 und der Kapazität 71. Die dritte
Sensorsignalauswertung gibt ein Ausgangssignal 81 ab, das wieder ein Maß
ist für die Fläche, an denen sich die Rotor- und
Statorpolflächen 54-50; 51-54 gegenüberstehen.
Der in Fig. 1 gezeigte geschaltete Reluktanzmotor als
Beispiel eines elektronisch kommutierten Motors enthält im
gezeigten Ausführungsbeispiel den ersten bis sechsten
Statorpol 10-15 und den Rotor 16 mit dem ersten bis vierten
Rotorpol 17-20. Anstelle der gezeigten Polzahlen kann ohne
weiteres eine andere Polzahlkombination, beispielsweise ein Motor
mit 8 Statorpolen und 6 Rotorpolen vorgesehen sein.
Die auf dem ersten bis sechsten Statorpol 10-15 aufgebrachte
erste bis sechste Polwicklung 21, 26 ist mit wenigsten einer
nicht näher gezeigten Endstufenschaltung verbunden, die den
Erregerstrom in der ersten bis sechsten Polwicklung 21-26 zu
bestimmten Zeitpunkten einspeist, die anhand der Position
des Rotors ermittelt werden. Bei dem im Ausführungsbeispiel
gezeigten geschalteten Reluktanzmotor sind vorzugsweise die
erste und dritte Polwicklung 21, 24, die zweite und vierte
Polwicklung 22, 25 sowie die dritte und sechste Polwicklung
23, 26 jeweils zu einer Phase zusammengeschaltet. Die
Zusammenschaltung hat derart zu erfolgen, dass an jeweils zwei
sich gegenüberliegenden Statorpolflächen 45, 48; 46, 49; 47,
50 ein magnetisches Feld ergibt, das den Rotor in der
jeweils vorgegebenen Richtung ansieht. Der Strom muss demnach
in einer vorbestimmten Reihenfolge und in einer von der
Rotorgeschwindigkeit abhängigen Dauer zugeführt werden, um ein
Drehmoment in einer vorgegebenen Richtung erzeugen zu
können. Die Wirkungsgrad soll möglichst hoch sein. Es ist daher
notwendig, die Position des Rotors 16 bis auf Symmetrien zu
kennen. Die Position des Rotors 16 kann grob ermittelt
werden beispielsweise mit der im Stand der Technik genannten
Vorrichtung. Dort kann die Position des Rotors 16 auf +/-
15° genau ermittelt werden durch eine Messung der
Anstiegsgeschwindigkeit des Stromes in den 3 Phasenwicklungen und
einer Zuordnung zu 3 Strombereichen. Die
Stromanstiegsgeschwindigkeit hängt von den Induktivitäten ab, die jeweils
in den Phasenwicklungen auftreten. Die Genauigkeit des
ermittelten Sektors von +/-15° gilt hierbei für einen
elektronisch kommutierten Motor, der wie im gezeigten
Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 sechs Statorpole 10-15, vier
Rotorpole 17-20 und zusätzlich eine Verschaltung der
Statorpole 10-16 zu 3 Phasen aufweist. Die Ermittlung des Sektors
von +/-15°, in dem sich der Rotor 16 befindet, reicht aus,
um die betreffende Phase für den Startvorgang auswählen zu
können.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht nun die
Bestimmung der Position des Rotors 16 innerhalb des beispielsweise
+/-15°-Sektors durch Messung der Fläche, an der sich die
Statorpolflächen 45-50 und die Rotorpolflächen 51-54
gegenüberliegen. Vorauszusetzen ist hierbei, dass sich die Fläche
während einer Drehbewegung des Rotors 16 ändert. Die
Änderung hängt ab vom Statorpolwinkel βS, vom Rotorpolwinkel βR
sowie von der geometrischen Ausgestaltung des Motors.
Beispielsweise kann mit einer in radialer Richtung
ungleichmäßigen Verteilung der Statorpole 10-15 und/oder einer
ungleichmäßigen Verteilung der Rotorpole 17-20 bezogen auf die
Drehrichtung eine Flächenänderung während einer Drehbewegung
herausgebildet werden. Die Fläche bzw. die Flächenänderung
während einer Drehbewegung des Rotors 16 kann entweder
experimentell oder in Abhängigkeit von Drehwinkelschritten
rechnerisch ermittelt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird
angenommen, dass der Statorpolwinkel βS und der Rotorpolwinkel βR
gleich groß sind. Diese Maßnahme stellt sicher, dass sowohl
in den Statorpolen 10-15 als auch in den Rotorpolen 17-20
jeweils eine wenigstens näherungsweise gleich große
Magnetisierung bezogen auf eine Flächeneinheit auftritt, so dass
die Magnetisierbarkeit des verwendeten Materials so
vollständig wie möglich ausgenutzt wird. Die folgende Tabelle 1
setzt voraus, dass der Statorpolwinkel βS und der
Rotorpolwinkel βR jeweils gleich β sind. Der Motor gemäß
Ausführungsbeispiel kann dann derart ausgelegt werden, dass die
Beziehung gilt:
30° <= β <= 45°
im Allgemeinen variiert die Fläche während einer
Drehbewegung des Rotors 16 mit einer Periode von 360°/(Anzahl der
Rotorpole 17-20)-360°/(Anzahl der Statorpole 10-15), wobei
vorausgesetzt wird, dass die Anzahl der Rotorpole 17-20
ungleich der Anzahl der Statorpole 10-15 ist. Im genannten
Ausführungsbeispiel beträgt die Periode demnach 30°. Tabelle
1 enthält die zur Fläche proportionale Summe der
Winkelsektoren, an denen sich die Statorpole 10-15 und Rotorpole
17-20 gegenüberstehen.
Tabelle 1
Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, dass beim Polwinkel β von 30°
nichts gemessen werden kann. Bei größeren Polwinkeln β lässt
sich zumindest der Zeitpunkt ermitteln, bei dem sich
Statorpol 10-15 und Rotorpol 17-20 gegenüberstehen. Bei einem
Polwinkel von β = 45° lässt sich die Position des Rotors 16
innerhalb des +/-15°-Segments exakt bestimmen. Eine
Genaugikeit von kleiner 1° kann leicht erreicht werden.
Im Folgenden wird ein in der Zeichnung nicht gezeigtes
Ausführungsbeispiel eines elektronisch kommutierten Motors
angegeben, der beispiels 8 Statorpole und 6 Rotorpole
aufweist. Die Statorpole können zu einem vierphasigen Motor
geschaltet werden. Wenn wieder vorausgesetzt wird, dass der
Statorpolwinkel βS und der Rotorpolwinkel βR gleich β sind, so
kann der Motor ausgelegt werden, so dass gilt:
15° <= β <= 300,
wobei die Periode der Flächenänderung = 360°/(Anzahl
der Rotorpole 17-20) - 360°/(Anzahl der Statorpole
10-15), hier also = 15° beträgt. Auch hier wird
vorausgesetzt, dass die Anzahl der Rotorpole 17-20
ungleich der Anzahl der Statorpole 10-15 ist.
Aus Symmetriegründen genügt es bei diesem
Ausführungsbeispiel, die Position innerhalb eines 60°-Sektors zu
ermitteln. Zunächst kann die Position des Rotors beispielsweise
mit der aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung
durch ermitteln einer Kenngröße der einzelnen Induktivitäten
in den Phasen und eine entsprechende Klassifizierung in vier
Stufen ermittelt werden; die Rotorposition ergibt sich dann
bis auf einen Sektor von +/-7,5° genau. Zur genaueren
Bestimmung der Position des Rotors innerhalb des +/-7,5°-
Sektors kann nun wieder die Fläche ermittelt werden, an
denen sich die Rotor- und Statorpole gegenüberstehen.
In der folgenden Tabelle 2 ist wieder die zur Fläche
proportionale Summe der Winkelsektoren wiedergegebenen, an denen
sich Stator- und Rotorpole gegenüberstehen.
Tabelle 2
Aus der Tabelle ist ersichtlich, dass günstige Polwinkel β
bei dieser Ausgestaltung des elektronisch kommutierten
Motors zwischen 22° und 23° liegen.
Die Ermittlung der Fläche kann kapazitiv und/oder induktiv
erfolgen. Die induktive Erfassung kann mit einer
Hilfswicklung erfolgen, die auf vorzugsweise allen Statorpolen 10-15
aufgebracht ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß
Fig. 1 ist die erste bis sechste Sensorwicklung 27-32
vorgesehen, die in Serie geschaltet und zum ersten
Sensoranschluss 39 geführt sind. Am ersten Sensoranschluss 39 ist
die erste Sensorsignalauswertung 60 angeschlossen, welche
die Induktivität 61 der gesamten Anordnung ermittelt. Die
Ermittlung der Induktivität 61 kann beispielsweise in einer
nicht näher gezeigten Brückenschaltung erfolgen. Die ersten
Sensorsignalauswertung 60 stellt das Ausgangssignal 62
bereit, das Maß für die Fläche bzw. die Position des Rotors 16
ist.
Die Induktivität wird vom Selbstinduktionskoeffizienten L
der gesamten Anordnung bestimmt. Für die im gezeigten
Ausführungsbeispiel gezeigte Serienschaltung der
Sensorwicklungen 27-32 gilt:
L = ΣLi = Σµ.µ0.Fi.n2/l = (ΣFi).µ.µ0.n2/l
Hierbei ist mit Fi jeweils die an den Statorpolen 10-15
auftretende Teilfläche bezeichnet.
Gemäß einer anderen Möglichkeit ist vorgesehen, die Fläche
kapazitiv zu ermitteln. Zu diesem Zweck ist der Stator 16 an
der ersten und zweiten Trennstelle 42, 43 in das erste und
zweite Statorsegment 40, 41 elektrisch aufgetrennt. Beide
Segmente 40, 41 sind an den zweiten Sensoranschluss 44
geführt, an dem die zweite Sensorsignalauswertung 70angeschlossen ist. Die zweite Sensorsignalauswertung 70
ermittelt die Kapazität die auftritt zwischen dem ersten
Statorsegment 40 und dem Rotor 16 sowie zwischen dem Rotor 16 und
dem zweiten Statorsegment 41. In einem elektrischen
Ersatzschaltbild können zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren
eingetragen werden. Zusätzlich tritt jeweils eine Kapazität
an den Trennstellen 42, 43 auf, die jedoch unabhängig von
der Position des Rotors 16 ist. Für die Kapazitäten gilt:
1/C = 1/C1 + 1/C2
C1 ist die Kapazität zwischen dem ersten Statorsegment 40 und
dem Rotor 16 und die Kapazität C2 ist die Kapazität zwischen
dem Rotor 16 und dem zweiten Statorsegment 41 ist.
Bei einem Motor mit einem Radius des Rotors 16 von
beispielsweise 5 cm und einer Polfläche von 40 cm2 und unter
der Annahme, dass der Statorpolwinkel βS gleich dem
Rotorpolwinkel βR = 45° ist, variieren die Kondensatorflächen im
Bereich von 53,5 cm2 und 66,3 cm2. Bei einem angenommenen
Luftspalt von 0,2 mm zwischen den Statorpolen 10-15 und den
Rotorpolen 17-20 variieren die Kapazitäten zwischen 230 pF
und 300 pF.
Bei einem Motor mit einem angenommenen Radius des Rotors 16
von 5 cm und einer Polfläche von 40 cm2 und unter der
weiteren Annahme, dass der Statorpolwinkel βS gleich dem
Rotorpolwinkel βR = 45° ist, variieren die Flächen im Bereich von
107 cm2 und 132,6 cm2.
Bei einer Polhöhe von 2,5 cm und 10 Windungen sowie einer
Permeabilität von µ = 1000, variiert der
Selbstinduktivkoeffizient L zwischen 650 µH und 800 µH.
Die zweite Sensorsignalauswertung 70 ermittelt die
Gesamtkapazität 71 und gibt das Ausgangssignal 72 aus als Maß für
die Fläche bzw. die Position des Rotors 16.
Da sowohl die induktive als auch die kapazitive Messung auf
der Flächenänderung beruhen, kann zur Erhöhung der
Messgenauigkeit eine Kombination beider Messverfahren vorgesehen
sein. Bei dieser Ausgestaltung ist die dritte
Sensorsignalauswertung 80 vorgesehen, die sowohl mit dem ersten
Sensoranschluss 39 als auch mit dem zweiten Sensoranschluss 44
verbunden ist. Die dritte Sensorsignalauswertung 80 enthält
einen Schwingkreis, der die Induktivität 61 und die
Kapazität 71 der Anordnung im Ersatzschaltbild enthält. Der
Schwingkreis kann als Serien- oder Parallelkreis ausgebildet
sein. Ein nicht näher gezeigter frequenzvariabler Generator
regt den Schwingkreis zu Schwingungen an. Gemessen wird die
Resonanzfrequenzspannung. Mit den bereits angegebenen
Beispielen einer Variation der Kapazität 71 im Bereich von
360 pF bis 450 pF und der Induktivität 61 im Bereich von 650 µH
und 800 µH variiert die Resonanzfrequenz zwischen 229 kHz
und 182 kHz.
Zur Erhöhung der Sicherheit gegenüber einem Ausfall bei der
Messung der Position des Rotors 16 ist erfindungsgemäß eine
Kombination zumindest zweier Messverfahren vorgesehen. Bei
einem Ausfall der kapazitiven oder der induktiven Messung
steht die jeweils andere Messung noch zur Verfügung.
Eine andere Möglichkeit, die Wahrscheinlichkeit eines
Ausfalls des elektronisch kommutierten Motors insgesamt zu
reduzieren, besteht im Einsatz von mehr als einer
Ansteuerschaltung zur Versorgung der Polwicklungen 21-26. Im
gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 mit den zwei
Statorsegmenten 40, 41 werden zweckmäßigerweise zwei getrennte
Ansteuerschaltungen vorgesehen. Sämtlichen Ansteuerschaltungen
werden die Position des Rotors 16 zur Ermittlung des
Zeitpunkts der Bestromung der einzelnen Polwicklungen 21-26 zur
Verfügung gestellt. Eine weitere Maßnahme zur Erhöhung der
Betriebssicherheit besteht darin, dass die
Ansteuerschaltungen aus separaten Energiequellen mit elektrischer Energie
versorgt sind.