DE102005035451B3

DE102005035451B3 - Elektronisch kommutierter Motor, insbesondere Lüftermotor, und Verfahren zur Ansteuerung des Motors

Info

Publication number: DE102005035451B3
Application number: DE200510035451
Authority: DE
Inventors: Andràs Dr. Lelkes
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2005-07-28
Filing date: 2005-07-28
Publication date: 2006-12-14
Anticipated expiration: 2025-07-29

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektronisch kommutierten Elektromotor, insbesondere Lüftermotor, mit einem permagnetischen Rotor und einem bewickelten Stator mit einem Wicklungsstrang sowie mit einer elektronischen Steuerschaltung, die den Wicklungsstrang mit einem Erregerstrom speist, wobei der Wicklungsstrang in zwei Wicklungsteile aufgeteilt und zwischen den zwei Wicklungsteilen eine Anzapfung vorgesehen ist, die mit der Steuerschaltung derart verbunden ist, daß die beiden Wicklungsteile getrennt voneinander ansteuerbar sind, und daß der Rotor und/oder der Stator mit asymmetrischen Polen ausgebildet ist, so daß die beiden Wicklungsteile bei unterschiedlichen Rotorpositionen ihr maximales Drehmoment erzeugen.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektronisch kommutierten Motor, insbesondere einen Lüftermotor, mit einem permanentmagnetischen Rotor und einem bewickelten Stator mit einem Wicklungsstrang sowie mit einer elektronischen Steuerschaltung, die den Wicklungsstrang mit einem Erregerstrom speist.

Spezieller betrifft die Erfindung einen elektronisch kommutierten Elektromotor gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Ein derartiger Motor ist beispielsweise aus der JP 2004 222 460 A bekannt. Diese Schrift zeigt einen einsträngigen bürstenlosen Motor, dessen Betrieb mittels H-Brückenschaltung und Mittelpunktanzapfung der Wicklung realisiert ist. Die beschriebene Motoransteuerung dient zum Anlauf eines synchron mit dem Netz betriebenen Motor der Sternpunkt lediglich zur EMK-Auswertung erfaßt, wobei hierfür keine asymmetrischen Pole benötigt werden. Die US 6,218,794 B1 beschreibt einen bürstenlosen Motor mit asymmetrischen Polen und EMK-Erfassung zum definierten Motoranlauf. Gemäß der beschriebenen Motoransteuerung wird zum Starten eines drei-phasien bürstenlosen Motors

Ein typisches Anwendungsgebiet der Erfindung ist der Bereich der Ventilatoren, welche kein hohes Anlaufmoment erfordern. Für solche Ventilatoren werden häufig kostengünstige einsträngige elektronisch kommutierte Motoren eingesetzt. Solche Motoren können von einer Gleichspannungsquelle gespeist werden, sie werden dann als bürstenlose Gleichstrommotoren bezeichnet, oder sie sind mit einem Gleichrichter und Zwischenkreiskondensatoren ausgerüstet und können aus einem Wechselspannungsnetz gespeist werden. Die einsträngigen Motoren haben eine einfache Wickeltechnik und eine kostengünstige, beispielsweise aus einer H-Brückenschaltung bestehende Kommutierungselektronik.

Eine einsträngige oder einphasige Statorwicklung erzeugt anstelle eines Drehfeldes ein pulsierendes Feld, so daß in bestimmten Rotorpositionen der Motor kein Drehmoment erzeugen kann. Um gleichwohl sicherzustellen, daß der Motor zuverlässig anläuft, ist es im Stand der Technik bekannt, den Motor mit einem speziell geformten Statorpaket aufzubauen, das mit dem Rotor einen ungleichförmigen Luftspalt bildet. Dadurch entsteht ein Reluktanzmoment, das dafür sorgt, daß der Rotor nach dem Abschalten der Stromversorgung nur in solchen Winkellagen stehen bleibt, in denen die bestromte Statorwicklung ein genügend hohes Anlaufmoment entwickelt, um die Lagerreibung beim erneuten Anlauf zu überwinden. Das Reluktanzmoment, das für den sicheren Anlauf notwendig ist, wird nach dem Anlauf des Motors nicht mehr benötigt; da es durch die spezielle Statorgeometrie erzeugt wird, läßt es sich jedoch nach dem Anlauf nicht eliminieren.

Ein Nachteil dieser Methode des Standes der Technik ist, daß das erhöhte Reluktanzmoment zusätzliche Schwingungen im Motor erzeugt. Diese Schwingungen können unangenehme und auffällige Geräusche verursachen. Die Geräusche sind schwer vorhersagbar, weil sie sehr stark von der Konstruktion und von den mechanischen Resonanzstellen der Motorapplikationen abhängen.

Ein weiterer Nachteil des Standes der Technik ist, daß durch den ungleichen Luftspalt die durchschnittliche Breite des Luftspalts vergrößert wird, weil der minimale Luftspalt aus me chanischen Gründen begrenzt ist. Durch die größere durchschnittliche Breite des Luftspalts ist der Motor magnetisch geschwächt, wodurch seine Leistungsfähigkeit und sein Wirkungsgrad reduziert werden.

Die Druckschrift DE 23 46 380 A1 beschreibt einen kollektorlosen Gleichstrommotor mit einfacher Drehrichtung. Der Motor umfaßt eine Statoranordnung, die einen Statorrückschluß und zwei Statorzähne aufweist, an deren Enden Polschuhe ausgebildet sind. Die Statoranordnung ist koaxial in eine zylindrische Rotoranordnung eingefügt. Zwischen den Polschuhen der Statoranordnung und der Rotoranordnung ist ein Luftspalt gebildet. Um den Anlauf zu erleichtern und die Drehrichtung vorzugeben, wird der Luftspalt dadurch modifiziert, daß die Polflächen der Statoranordnung abgeschrägt sind. Wie in den 2 bis 4 dieser Druckschrift dargestellt, ist der Luftspalt so ausgebildet, daß er zwischen zwei Statornuten monoton zu- und wieder abnimmt. Das Dokument offenbart ferner, daß ein gewünschter Luftspaltverlauf durch Schichten von Blechen mit unterschiedlichen Querschnitten oder durch magnetisch gleichwertige Blechpakete, die aus identischen Blechpaketen aufgebaut sind, erzielt werden kann. Hierbei kommt es auf den "magnetisch wirksamen Luftspalt" an.

Die US 2,185,990 A zeigt verschiedene Statorschnitte zur Erzeugung einer monoton oder schrittweise zunehmenden Luftspaltbreite für einen Elektromotor mit einfacher Drehrichtung.

Bei den beschriebenen Maschinen besteht das oben bereits erwähnte Problem, daß die Abschrägung der Polflächen zu einem teilweise vergößerten magnetischen Luftspalt führt, wodurch sich der Wirkungsgrad des Motors verschlechtert. Insbesondere bei Statoranordnungen, deren Durchmesser im Verhältnis zu ihrer axialen Abmessung klein ist, führt diese Vergrößerung des Luftspaltes zu erheblichen Leistungsverlusten.

Eine Möglichkeit, diese Probleme des Standes der Technik zu vermeiden, besteht in der Verwendung eines mehrsträngigen oder mehrphasigen Motors. Mehrsträngige Motoren können aus beliebiger Position gestartet werden, so daß sie kein künstliches Reluktanzmoment benötigen und mit einem konstanten und somit effektiv kleineren Luftspalt aufgebaut werden können. Mehrsträngige elektronisch kommutierte Motoren und andere mehrsträngige Perma nentmagnetmotoren werden häufig sensorlos betrieben. Das heißt, diese Motoren enthalten keine Lagesensoren, beispielsweise Hallsensoren, welche direkte Information über die Rotorlage liefern könnten. Die Einsparung der Sensoren macht die Motoren weniger anfällig gegenüber Störungen, wobei zusätzlich Kosten und Aufwand für die Herstellung der Motoren gesenkt werden können. Unter diesen Gesichtspunkten am vorteilhaftesten sind Motoren mit externer sensorloser Kommutierungstechnik, weil der Motor keine elektronische Bauteile enthält, die bei höheren Umgebungstemperaturen Probleme verursachen könnten, und weil Sensorleitungen, zugehörige Stecker und dergleichen entfallen. Bei einsträngigen Motoren ist dagegen mit den im Stand der Technik bekannten Steuerungsverfahren nicht gewährleistet, daß eine sensorlose Elektronik beim Anlauf den Motor in die gewünschte Drehrichtung startet beziehungsweise daß die Elektronik erkennt, wenn der Motor in die falsche Richtung dreht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektronisch kommutierten Motor anzugeben, insbesondere zur Verwendung als Lüftermotor, der mit möglichst geringem Aufwand hergestellt werden kann und gleichwohl einen sicheren Anlauf in eine vorgegebene Drehrichtung gewährleistet.

Diese Aufgabe wird durch einen elektronisch kommutierten Elektromotor gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zur Ansteuerung des Motors gemäß Anspruch 8 gelöst.

Der erfindungsgemäße Motor ist ein einsträngiger oder einphasiger elektronisch kommutierter Elektromotor. Erfindungsgemäß ist der Wicklungsstrang in zwei Wicklungsteile aufgeteilt, und zwischen den beiden Wicklungsteilen ist eine Anzapfung vorgesehen, wobei die Wicklungsteile getrennt voneinander ansteuerbar sind. Zusätzlich ist der Rotor und/oder der Stator mit asymmetrischen Polen ausgebildet, so daß die beiden Wicklungsteile bei unterschiedlichen Rotorpositionen ihr maximales Drehmoment erzeugen. Die Erfindung schafft dadurch einen einsträngigen Elektromotor, der ohne ein erhöhtes Reluktanzmoment aus beliebiger Rotorposition in die vorgegebene Drehrichtung sicher anlaufen kann. Die beschriebenen Nachteile der bekannten einsträngigen bürstenlosen Gleichstrommotoren und elektronisch kommutierten Motoren, wie eine Erhöhung der Luftspaltbreite, eine Erhöhung des Reluktanzmoments sowie die Gefahr, daß der Motor in die falsche Richtung startet, entfallen. Der erfindungsgemäße Motor hat daher im Vergleich zu den beschriebenen Motoren des Standes der Technik einen besseren Wirkungsgrad und einen ruhigeren Lauf sowie ein besseres Geräuschverhalten. Aufgrund der Asymmetrie von Rotor und/oder Stator und der Aufteilung des Wicklungsstranges kann der erfindungsgemäße Motor aus einer beliebigen Rotorposition heraus ein zumindest begrenztes Anlaufmoment bilden.

Der erfindungsgemäße Motor vereinigt in sich somit die Vorteile mehrsträngiger Motoren, nämlich die Sicherheit bezüglich des Anlaufs aus jeder Position heraus, und von Einstrangmotoren, nämlich der einfachere Aufbau. Mehrsträngige Motoren können zwar aus beliebiger Rotorposition heraus ein großes Anlaufmoment erzeugen, sie sind jedoch hinsichtlich der Wickel-, Verschaltungs- und Isolationstechnik aufwendiger und benötigen eine aufwendigere und komplexere Kommutierungselektronik. Da der erfindungsgemäße Motor bevorzugt als Lüftermotor eingesetzt wird, wo ein hohes Anlaufmoment nicht notwendig ist, genügt es, wenn der erfindungsgemäße Motor aus beliebiger Rotorposition heraus ein begrenztes Anlaufmoment erzeugen kann, dies jedoch mit Sicherheit in die gewünschte Richtung.

In einer Ausführung der Erfindung ist der Stator asymmetrisch ausgebildet. Jeder Pol des Stators ist durch einen mit dem Statorrückschluß verbundenen Polsteg gebildet, der an seinem freien Ende einen Polschuh aufweist. Zur Erzeugung der Asymmetrie ist der Polschuh mindestens eines Statorpols in Umfangsrichtung breiter als der Polschuh mindestens eines anderen Statorpols. In einer anderen Ausführung ist der Rotor asymmetrisch ausgebildet. Jeder Pol des Rotors ist durch entsprechend magnetisierte Permanentmagnete oder Permanentmagnetabschnitte gebildet, wobei mindestens ein Rotorpol in Umfangsrichtung breiter ist als mindestens ein anderer Rotoropol. Dies läßt sich besonders einfach bei Verwendung von kunststoffgebundenen Magnetmaterialien für die Permanentmagnete realisieren. Die Asymmetrie kann dann z.B. durch einen asymmetrisch gestalteten Magnetisierkopf erreicht werden. Werden Magnetsegmente, z.B. gesintete Hartferritsegmente, als Rotormagnete verwendet, so können diese Segmente bewußt asymmetrisch über den Umfang des Rotors verteilt werden. Erfindungsgemäß sollte die Asymmetrie nur so stark ausgeprägt werden, wie sie für das notwendige Anlaufmoment gerade ausreichend ist. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die Asymmetrie der Pole durch eine Abweichung der Polfläche des Rotors bzw. des Stators von etwa 1 bis 10 % zueinander gebildet. Eine zu hohe Asymmetrie könnte den Motor schwächen und zusätzliche Schwingungen und Geräusche im Motor verursachen.

In der bevorzugten Ausführung sind die beiden Wicklungsteile des Wicklungsstrangs im wesentlichen gleich groß, wodurch die Ansteuerung des Motors beim Anlauf sowie die Herstellung der Wicklung einfacher sind.

Der erfindungsgemäße Elektromotor umfaßt vorzugsweise eine Steuerschaltung, die den Wicklungsstrang mit einem Erregerstrom speist und eine Halbleiterbrücke aufweist. Die Halbleiterbrücke ist vorteilhaft als H-Brücke aufgebaut. Der Wicklungsstrang ist mit der Halbleiterbrücke verbunden und die Anzapfung ist mit einem definierten Potential in der Steuerschaltung über einen Schalter verbunden. Dieser Schalter wird für den Anlauf des Elektromotors geschlossen und nach dem Anlauf während des stabilen Betriebs geöffnet. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Schalter mit einem Potentialmittelpunkt der Steuerschaltung verbunden ist. Ist ein solcher Potentialmittelpunkt nicht vorhanden, so kann er auch mit einer positiven oder negativen Zwischenkreisversorgungsspannung der Steuerschaltung verbunden werden.

Wenn der Schalter geschlossen ist, können die beiden Wicklungsteile des Wicklungsstrangs unterschiedlich bestromt werden, um ein magnetisches Statorfeld mit veränderbarer Ausrichtung zu erzeugen. Aufgrund der Asymmetrie von Stator und/oder Rotor wird das maximale Drehmoment in den beiden Wicklungsteilen bei unterschiedlichen Rotorpositionen erzeugt bzw. der Nullpunkt ihrer Drehmomente entsteht bei unterschiedlichen Rotorpositionen. Während des Anlaufs des Elektromotors können beispielsweise die beiden Wicklungsteile jeweils mit Erregerströmen von im wesentlichen gleicher Stromgröße, jedoch entgegengesetzter Stromrichtung versorgt werden. Dies ist mit weiteren Einzelheiten in Bezug auf die 3 beschrieben. Nach dem Anlauf wird der Schalter geöffnet, und der Elektromotor kann wie ein üblicher einsträngiger Motor betrieben werden.

Die Erfindung sieht auch ein Verfahren zur Erfassung der Drehrichtung des Rotors vor. Hierzu wird der Wicklungsstrang stromlos geschaltet, und anschließend werden die in den Wick lungsteilen vom Rotor induzierten Spannungen ausgewertet, wobei die Drehrichtung aus der Phasenverschiebung zwischen den induzierten Spannungen der beiden Wicklungsteile ermittelt wird, die beispielsweise aufgrund der zeitlichen Abfolge der Nullübergänge der induzierten Spannungen der beiden Wicklungsteile zu bestimmen ist.

In der bevorzugten Ausführung ist die Halbleiterbrücke, wie oben erwähnt, als H-Brücke ausgebildet, wobei jeder der vier Zweige einen Halbleiterschalter enthält. Während des Normalbetriebs, nach dem Anlauf des Motors, werden jeweils zwei Zweige der Halbleiterbrücke geschlossen, um den Erregerstrom in den Wicklungsstrang zu speisen, die Zweige werden vor dem Erreichen des nächsten Kommutierungszeitpunktes geöffnet, und nach dem Verstreichen des Kommutierungszeitpunktes werden für die nächste Halbperiode die jeweils anderen beiden Zweige der Halbleiterbrücke geschlossen. Die Erfindung ist im folgenden anhand bevorzugter Ausführung mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren zeigen:
1 einen schematischen Schaltplan einer elektronischen Steuerschaltung zur Ansteuerung eines einsträngigen Elektromotors gemäß einer ersten Ausführung der Erfindung;
2 einen schematischen Schaltplan einer elektronischen Steuerschaltung zur Ansteuerung des einsträngigen Elektromotors gemäß einer zweiten Ausführung der Erfindung;
3 eine schematische Darstellung des Erregerstroms und des daraus resultierenden Erregerfelds gemäß der Erfindung;
4 eine schematische Darstellung für eine asymmetrische Statorgeometrie in einem Elektromotor gemäß der Erfindung;
5 eine schematische Darstellung eines asymmetrischen Rotors für einen Elektromotor gemäß der Erfindung;
6 ein schematischer Schaltplan der elektronischen Steuerschaltung des erfindungsgemäßen Elektromotors, die um weitere Komponenten zur Erfassung der Drehrichtung ergänzt ist;
7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Erfassung der Drehrichtung des erfindungsgemäßen Motors unter Verwendung der Schaltung der 6; und
8 eine schematische Schnittdarstellung durch einen Ventilator gemäß dem Stand der Technik zur Erläuterung des Anwendungsgebietes der Erfindung.
1 zeigt das schematische Schaltbild einer ersten Ausführung der elektronischen Steuerschaltung des erfindungsgemäßen Motors, die den Wicklungsstrang mit einem Erregerstrom speist. Die Erfindung ist anwendbar auf einen elektronisch kommutierten, einphasigen oder einsträngigen Elektromotor, der vorzugsweise sensorlos betrieben wird, also keinen eigenen Sensor für die Erfassung der Drehlage und/oder Drehrichtung des Rotors aufweist. In 1 ist der einzige Wicklungsstrang 10 des Motors dargestellt. Dieser ist in zwei Wicklungsteile 12, 14, oder A1 und A2, aufgeteilt. Zwischen den beiden Wicklungsteilen 12, 14 liegt eine Anzapfung 16, wobei die beiden Wicklungsteile 12, 14 gleich oder ungleich groß sein können. Gleich große Wicklungsteile haben den Vorteil, daß die Bewicklung des Statorkörpers einfacher ist, weil jeder Wicklungsteil auf eine zugeordnete Polsteggruppe gewickelt werden kann.
Der Wicklungsstrang 10 wird über eine elektronische Steuerschaltung 18 angesteuert, die in 1 schematisch dargestellt ist. Der Steuerschaltung 18 vorgeschaltet ist üblicherweise ein (nicht gezeigtes) Schaltnetzteil, das eine Zwischenkreis-Versorgungsspannung V_DC erzeugt. Die Zwischenkreis-Versorgungsspannung V_DC wird über eine Glättungsschaltung 20 einer Halbleiterbrücke 22 zugeführt. In der Ausführung der 1 umfaßt die Glättungsschaltung 20 zwei in Serie geschaltete Widerstände R₁, R₂ und parallel dazu zwei in Serie geschaltete Glättungskondensatoren C₁, C₂. Die Reihenschaltung der Widerstände R₁, R₂ und der Kon densatoren C₁, C₂ ist dann sinnvoll, wenn die zu glättende Zwischenkreisspannung V_DC hoch ist, beispielsweise bei 110 V oder 240 V Netzspannung. Bei einer niedrigeren Zwischenkreis-Versorgungsspannung V_DC bietet sich eine einfachere Schaltungsvariante gemäß 2 an, die nur einen einzigen Pufferkondensator C₃ verwendet.
Die Halbleiterbrücke 22 ist als eine H-Brückenschaltung ausgebildet und weist vier Zweige auf, die jeweils einen Halbleiterschalter enthalten. In der gezeigten Ausführung sind die Halbleiterschalter durch bipolare Transistoren (z.B. IGBT, "Insulated Gate Bipolar Transistor") T₁, T₂, T₃, T₄ in Verbindung mit Freilaufdioden D₁, D₂, D₃, D₄ gebildet. Anstelle der gezeigten Kombination aus IGBTs mit Freilaufdioden könnten beispielsweise auch MOSFET-Transistoren verwendet werden. Der Wicklungsstrang 10 ist mit der Halbleiterbrücke 22 auf an sich bekannte Art und Weise verbunden. Zusätzlich ist die Anzapfung 16 des Wicklungsstrangs 10 über einen Schalter 24 mit einem Punkt 26, 26' mit definiertem Potential in der elektronischen Steuerschaltung 18 verbunden. In der Schaltung der 1 bietet es sich an, diesen Verbindungspunkt 26 auf den Potentialmittelpunkt der Zwischenkreis-Versorgungsspannung V_DC zwischen den beiden Kondensatoren C₁, C₂ zu legen. Wenn für die Glättung der Zwischenkreis-Versorgungsspannung nur ein Pufferkondensator verwendet wird, wie in der Ausführung der 2, kann der Verbindungspunkt 26' auch bei der positiven oder der negativen Zwischenkreis-Versorgungsspannung liegen. Der Schalter 24 ist beispielsweise durch einen Triac Tr₁ realisiert.
Die in 1 gezeigte elektronische Steuerschaltung 18 wird erfindungsgemäß in Verbindung mit einem Elektromotor verwendet, dessen Rotor und/oder dessen Stator mit asymmetrischen Polen ausgebildet ist. Ein Beispiel für einen asymmetrischen Rotor und für einen asymmetrischen Stator sind weiter unten mit Bezug auf die 4 und 5 erläutert.
Durch die Anzapfung 16 des Wicklungsstrangs 10, die über den Schalter 24 zur Steuerschaltung 18 zurückgeführt ist, können die beiden Wicklungsteile 12, 14 unabhängig voneinander bestromt werden. Werden die beiden Wicklungsteile 12, 14 mit dem gleichen Erregerstrom gespeist, so verursacht die Asymmetrie des Rotors und/oder des Stators nur eine geringfügige Reduzierung des gesamten Erregerfeldes, wie in 3a durch die gestrichelte Linie angedeutet ist. Für den Anlauf des Motors werden die Wicklungsteile 12, 14 jedoch vorzugsweise mit Erregerströmen gespeist, welche die gleichen Stromgrößen, jedoch entgegengesetzte Stromrichtungen haben. Dabei entsteht aufgrund der Asymmetrie des Rotors und/oder des Stators ein Erregerfeld, das gegenüber dem ersten Erregerfeld (3a) um ca. 90° elektrisch verdreht ist und dessen Betrag deutlich kleiner ist. Das sich ergebende Erregerfeld ist in 3b wiederum durch die gestrichelte Linie dargestellt. Auf diese Weise kann in dem erfindungsgemäßen Elektromotor, der nur einen Wicklungsstrang aufweist, gleichwohl ein umlaufendes Erregerfeld erzeugt werden, das sich z.B. in Schritten von 90° verändert, wobei die Größe des Feldes maßgeblich davon abhängt, ob die beiden Wicklungsteile 12, 14 mit gleicher oder entgegengesetzter Stromrichtung bestromt werden. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß der Motor in jeder beliebigen Rotorposition in eine gewünschte Drehrichtung gestartet werden kann. Das erreichbare Drehmoment ist abhängig von der Größe der Asymmetrie des Rotors bzw. des Stators.
Ein Hauptanwendungsgebiet der Erfindung sind Lüftermotoren, die nur ein geringes Anlaufdrehmoment benötigen, so daß eine geringfügige Asymmetrie notwendig ist, um einen sicheren Anlauf des Motors zu gewährleisten. Dadurch wird der normale Betrieb des Motors nur unwesentlich beeinflußt.
Nach dem erfolgten Anlauf des Motors kann der Schalter 24 geöffnet werden. Der Motor wird dann wie üblich im Stand der Technik von der Halbleiterbrücke 22 gespeist. Die Kommutierung des Motors erfolgt, wie im Stand der Technik grundsätzlich bekannt. Hierbei kann die Bestimmung des Kommutierungszeitpunktes mit Hilfe eines Rotorlagesensors, z.B. eines Hallsensors, erfolgen; vorzugsweise wird jedoch eine sensorlose Lösung zum Einsatz kommen. Ein Beispiel für eine sensorlose, nicht wellengesteuerte Ansteuerung des Motors ist in der deutschen Patentanmeldung DE 103 32 228 A1 beschrieben. Bei diesem Ansteuerverfahren arbeitet der Motor nach dem Anlauf d.h. im stationären Betrieb wie ein Synchronmotor mit konstanter Drehzahl.
Die Ausführung der 2 unterscheidet sich von der 1 dadurch, daß die Anzapfung 16 des Wicklungsstrangs 10 über den Schalter 24 auf die negative Zwischenkreis-Spannung V_DC geschaltet ist. Alternativ könnte auch eine Verbindung mit der positiven Zwischenkreis-Spannung vorgesehen werden. Die Schaltungsvariante der 1 ist dann zu empfehlen, wenn z.B. bei Netzbetrieb die Zwischenkreis-Versorgungsspannung V_DC so hoch ist, daß für die Glättung der Zwischenkreis-Versorgungsspannung ohnehin in Reihe geschaltete Pufferkondensatoren C₁, C₂ verwendet werden sollten. Andernfalls ist die Schaltung nach 2 einfacher und kostengünstiger. Auch die Ansteuerung des Schalters 24 ist in 2 einfacher zu realisieren, da keine Potentialtrennung für die Ansteuerung des Triacs notwendig ist. Ein Nachteil der Schaltung der 2 ist, daß nicht beliebige Erregerströme für die Wicklungsteile 12, 14 erzeugt werden können, weil die Stromrichtung für die Wicklungsteile 12, 14 vorbestimmt ist. Bei der Ausführung der 2 können die Wicklungsteile 12, 14 nämlich jeweils nur Spannungen je einer Polarität erhalten; der Wicklungsteil 12, a1, nur positive und der Wicklungsteil 14, a2, nur negative Spannungen. Dadurch ist das Verfahren zur Ansteuerung des Elektromotors für den Anlauf des Motors etwas aufwendiger und umständlicher, andererseits ist der Aufbau der elektronischen Schaltung 18 einfacher und kostengünstiger.
Die Asymmetrie des erfindungsgemäßen Elektromotors kann auf unterschiedliche Art realisiert werden. In einer Ausführung kann die Statorgeometrie asymmetrisch gestaltet sein, wie beispielsweise in 4 dargestellt ist. 4 zeigt schematisch eine Statoranordnung 30 für einen Außenläufermotor. Die Statoranordnung umfaßt einen Statorrückschluß 32, der mit einer feststehenden Welle (nicht gezeigt) gekoppelt sein kann. Von dem Statorrückschluß 32 erstrecken sich in radialer Richtung Polstege 34 nach außen, wobei an den freien Enden der Polstege 34 Polschuhe 36, 38, 40 vorgesehen sind, um die Pole des Stators zu bilden. In 4 ist ein vierpoliger Stator dargestellt, wobei zwei Polschuhe 36 in Umfangsrichtung gleich breit sind und die beiden anderen Polschuhe 38, 40 so ausgestaltet sind, daß der Polschuh 38 in Umfangsrichtung breiter ist als der Polschuh 40. Erfindungsgemäß soll wenigstens einer der Polschuhe, z.B. 38, in Umfangsrichtung breiter sein als wenigstens ein anderer Polschuh, in 4 die Polschuhe 36 und 40. Dies kann am einfachsten dadurch verwirklicht werden, daß ein Polschuh-Paar aus der Gesamtheit der Polschuhe so modifiziert wird, daß es einen breiteren und einen weniger breiten Polschuh umfaßt.
Die Asymmetrie des erfindungsgemäßen Elektromotors kann auch im Rotor realisiert werden, wie in 5 gezeigt ist. 5 zeigt einen ringförmigen Permanentmagneten 42, der auf einen Rotorkörper für einen Innenläufer- oder einen Außenläufermotor aufgebracht sein kann. Der Permanentmagnet 42 ist mit wechselnden Nord- und Südpolen 54, 56, 58, 60 magnetisiert, die in Umfangsrichtung unterschiedlich breit sind. Bei der gezeigten Ausführung sind die Permanentmagnetpole 54 und 56 in Umfangsrichtung weniger breit als die Permanentmagnetpole 58 und 60. Die Asymmetrie der Permanentmagnetpole 54 bis 60 könnte auch ähnlich wie bei der Statoranordnung der 4 verteilt sein. Diese Asymmetrie der Permanentmagnetpole 54 bis 60 des Rotormagneten kann am einfachsten dadurch erreicht werden, daß ein kunststoffgebundenes Magnetmaterial auf ein Rotorkörper aufgebracht wird, das mit einem asymmetrisch geschalteten Magnetisierkopf magnetisiert wird. Alternativ ist es auch möglich, Magnetsegmente, z.B. gesintete Hartferritsegmente, asymmetrisch auf den Umfang eines Rotorkörpers aufzubringen oder bei einem kunststoffgebundenen Magnetring die Dicke dieses Magnetringes und damit die Magnetfeldstärke entlang des Umfanges zu variieren.
Es liegt auch im Bereich der Erfindung, sowohl den Stator als auch den Rotor asymmetrisch zu gestalten, wobei bevorzugt nur eine dieser Komponenten asymmetrisch ist. Die Asymmetrie sollte so gering wie möglich und so stark wie nötig sein, um das notwendige Anlaufmoment zu erzeugen. Vorzugsweise liegt die Asymmetrie der Pole im Bereich einer Abweichung von 1 bis 10 % der Polflächen des Rotors bzw. des Stators untereinander. Eine zu hohe Asymmetrie würde zu einer Verringerung des Wirkungsgrades des Elektromotors führen, wie sich aus 3a ergibt, und könnte zusätzliche Schwingungen und Geräusche im Motor verursachen.
In der bevorzugten Ausführung der Erfindung sind die beiden Wicklungsteile 12, 14 des Wicklungsstrangs 10 gleich groß.
Die Erfindung eignet sich sowohl für Innenläufer- als auch für Außenläufermotoren.
Zusätzlich zum Sicherstellen einer definierten Anlaufrichtung beim Anlauf des erfindungsgemäßen Motors, d.h. bei geschlossenem Schalter 24, ermöglicht die Erfindung auch eine Erfassung der Drehrichtung des Motors, ohne daß zusätzliche Sensoren benötigt werden. Die kann gemäß einem von mehreren Verfahren erfolgen.
In einer ersten Ausführung wird zur Erfassung der Drehrichtung des Motors während des Normalbetriebs, also bei geöffnetem Schalter 24, der Wicklungsstrang 10 stromlos geschaltet. Zu diesem Zweck werden sämtliche Transistoren T1 bis T4 der Halbleiterbrücke 22 abgeschaltet. Der noch in den Wicklungsteilen 12, 14 vorliegende Erregerstrom wird über die Freilaufdioden D₁ bis D₄ schnell abgebaut. Da der Motor weiterhin dreht, können anschließlich die vom Rotor in den Wicklungsteilen 12, 14 induzierten Spannungen ausgewertet werden. Abhängig von der Asymmetrie im magnetischen Kreis, d.h. zwischen Rotor und Stator, und abhängig von der Drehrichtung stellt sich eine Phasenverschiebung zwischen den Spannungen U_a1 und U_a2, die an den Wicklungsteilen 12, a1, und 14, a2, anliegen, ein. Die Drehrichtung läßt sich aus einem Vergleich der Polaritäten der induzierten Spannungen U_a1 und U_a2 ermitteln. Abhängig von der Asymmetrie im Motor tritt bei einer ersten Drehrichtung der Nullübergang zuerst in dem Wicklungsteil 12, a1, auf und bei der entgegengesetzten, zweiten Drehrichtung zuerst in dem Wicklungsteil 14, a2. Die Polarität der induzierten Spannung U_a1 und U_a2 kann beispielsweise einfach durch zwei analoge Komparatoren ausgewertet werden, wobei vorab definiert ist, welche Polarität welcher Drehrichtung zuzuordnen ist. Während dieses Verfahren der Drehzahlbestimmung sehr einfach ist, hat es den Nachteil, daß die in den Wicklungsteilen 12, 14 auftretenden Spannungen nicht definiert sind. Dadurch können relativ hohe Gleichtaktspannungen an den Komparatoreingängen auftreten, und die Komparatoren müssen entsprechend ausgelegt werden.
Ein zweites Verfahren zur Bestimmung der Drehrichtung des Motors ist mit Bezug auf die 6 und 7 beschrieben. 6 entspricht im wesentlichen der Darstellung der 2, wobei der Schalter 24 weggelassen wurde, weil die Drehzahlbestimmung im Normalbetrieb des Elektromotors erfolgt, in dem der Schalter geöffnet ist. In 6 sind die an den Wicklungsteilen 12, 14 anliegenden Teilspannungen mit U_a1 und U_a2 bezeichnet, und die an dem Wicklungsstrang 10 anliegende Spannung ist mit U_a bezeichnet. Die Anzapfung 16 des Wicklungsstrangs 10 ist mit einem nicht-invertierenden Eingang eines Komparators 62 verbunden, dessen invertierender Eingang mit der negativen Zwischenkreis-Versorgungsspannung V_DE verbunden ist. Der Ausgang des Komparators 62 wird einem Mikrocontroller 64 zugeführt. Bei diesem zweiten Verfahren wird das Potential an der Anzapfung 16, z.B. im Mittelpunkt des Wicklungsstrangs 10, durch den Komparator 62 ausgewertet. Ebenso wie in der ersten Ausführung wird zunächst der Wicklungsstrang 10 stromlos geschaltet, indem sämtliche Transistoren T₁ bis T₄ geöffnet werden. Nach dem Stromlosschalten des Wicklungsstrangs 10 wird eine definierte Zeit, Δ_t, gewartet, bis sich der Wicklungsstrom über die Freilaufdioden D₁ bis D₄ abgebaut hat. Anschließend wird einer der Transistoren der Halbleiterbrücke 22, z.B. der Transistor T₂ eingeschaltet. Wenn die resultierende Spannung an dem Wicklungsstrang 10, d.h. U_a = U_a1 + U_a2 > 0 ist, wird die Freilaufdiode D₄ des Transistors T₄ aktiviert oder geöffnet, so daß der Wicklungsstrang 10 über den Transistor T₂ und die Diode D₄ kurzgeschlossen ist. Dieser Zustand kann auch dadurch erkannt werden, daß das Potential an der Anzapfung 16 negativer ist als das Potential der negativen Zwischenkreis-Versorgungsspannung. In der Darstellung der 6 gilt dann U₀ < 0. Sobald dieser Zustand erfaßt wird, wird der Transistor T₂ abgeschaltet und der Transistor T₄ eingeschaltet. Dadurch steigt das Potential an der Anzapfung 16 über das Potential der negativen Zwischenkreis-Versorgungsspannung und nimmt anschließend wieder ab, bis das Potential an der Anzapfung 16 wieder niedriger ist als das Potential der negativen Zwischenkreis-Versorgungsspannung (U₀ < 0). Immer wenn dieser Zustand erreicht wird (d.h. U₀ < 0), wird der gerade aktive Transistor, T₂ bzw. T₄, abgeschaltet, und der jeweils andere Transistor, T₄ bzw. T₂, wird eingeschaltet und das Potential an der Anzapfung 16 (U₀) wird mit dem Potential der negativen Zwischenkreis-Versorgungsspannung verglichen.
Wenn der Transistor T₂ eingeschaltet ist, gilt U₀ = –U_a1, und wenn der Transistor T₄ eingeschaltet ist, gilt U₀ = –U_a2. Auf diese Weise kann festgestellt werden, in welchem Wicklungsteil 12, 14 zuerst der Nullübergang der von dem Rotor induzierten Spannung U_a1, U_a2 erfolgt. Hieraus kann die Drehrichtung des Rotors abgeleitet werden.
Das mit Bezug auf 6 beschriebene Verfahren ist in 7 nochmals in Form eines Ablaufdiagramms erläutert.
Ist die Drehrichtung des Elektromotors ermittelt und befindet sich dieser im stationären Betrieb, so erfolgt die sensorlose Kommutierung des Elektromotors wie im Stand der Technik üblich. Dabei werden zum Beispiel die aktiven Leistungsschalter mit ausreichend großem Winkel vor dem tatsächlichen Kommutierungspunkt abgeschaltet und es wird eine vorgegebene Zeit Δ_t gewartet, die ausreichend groß sein muß, damit die Wicklungsteile 12, 14 beim Nullübergang der inneren Spannung schon sicher stromlos geworden sind. Abhängig von der Polarität der Spannung U₀ wird der Transistor T₂ oder T₄ eingeschaltet, so daß die Freilaufdioden D₁ bis D₄ keinen Strom führen können. Anschließend wird gewartet, bis die Spannung U₀ ihre Polarität ändert, und die aktiven Transistoren werden für die nächste Halbperiode eingeschaltet.
8 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch einen Ventilator gemäß dem Stand der Technik. Der Ventilator wird von einem Elektromotor angetrieben, der im Inneren des Ventilators zentrisch angeordnet ist. Der Elektromotor umfaßt eine Welle 90, auf der eine Rotornabe 92 befestigt ist, die mit einem Magnetring 94 und einem Rotorrückschluß 96, die einen Rotor 98 bilden, drehfest gekoppelt ist. Konzentrisch innerhalb des Rotors 98 ist ein Stator 100 angeordnet, der einen Statorkörper mit in der gezeigten Ausführung vier Statorpolen 102 aufweist. In der gezeigten Ausführung tragen die Statorpole 102 Spulenkörper 104, welche eine Isolationsschicht bilden und auf die Wicklungen 106 aufgebracht sind. Während weitere Einzelheiten des Elektromotors, wie Lager, Flansche etc., in der 8 nicht dargestellt sind, ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt, wie ein solcher Motor aufzubauen ist. Obwohl in
8 ein Motor mit symmetrischen Statorpolen dargestellt ist, wird erfindungsgemäß ein Gleichstrommotor zum Antreiben des Ventilators verwendet, der wie oben erläutert mit asymmetrischen Statorpolen und/oder Rotorpolen aufgebaut ist.
Wie in 8 gezeigt, ist der Außenumfang des Rotors 98 mit einem Ventilatorrad 108, das Ventilatorflügel 110 trägt, verbunden. Bei dem gezeigten Ventilator sind die Ventilatorflügel 110 gleichmäßig um den Umfang des Ventilatorrades 108 angeordnet und haben die gleiche Neigung zum Radius des Ventilators.
Der Stator 100 ist über Streben 112 mit einem Außenring 114 verbunden, der an Befestigungsstellen 116 an dem Gehäuse des Ventilators angebracht ist. Wie in 8 gezeigt, sind bei dem Ventilator des Standes der Technik die Streben 112 gleichmäßig um den Umfang des Ventilators verteilt und erstrecken sich in radialer Richtung.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihrer verschiedenen Ausgestaltung von Bedeutung sein.

10: Wicklungsstrang
12, 14: Wicklungsteile
16: Anzapfung
18: elektronische Steuerschaltung
20: Glättungsschaltung
22: Halbleiterbrücke
24: Schalter
26, 26': Verbindungspunkt
30: Statoranordnung
32: Statorrückschluß
34: Polstege
36, 38, 40: Polschuhe
42: ringförmiger Permanentmagnet
54, 56, 58, 60: Permanentmagnetpole
62: Komparator
64: Mikrocontroller
90: Welle
92: Rotornabe
94: Magnetring
96: Rotorrückschluß
98: Rotor
100: Stator
102: Statorpole
104: Spulenkörper
106: Wicklung
108: Ventilatorrad
110: Ventilatorflügel
112: Streben
114: Außenring
116: Befestigungsstellen
122, 128: Ringe
124, 126: Ringabschnitte
130, 132, 134: Teilstreben
V_DC: Zwischenkreis-Versorgungsspannung
R₁, R₂: Widerstände
C₁, C₂: Kondensatoren
C₃: Pufferkondensator
T₁, T₂, T₃, T₄: Transistoren
D₁, D₂, D₃, D₄: Freilaufdioden
U_a1, U_a2: Teilspannungen
U_a: Spannung
Tr1: Triac (Schalter)
a₁, a₂: Wicklungsteile

Claims

Elektronisch kommutierter Elektromotor, insbesondere Lüftermotor, mit einem permanentmagnetischen Rotor und einem bewickelten Stator mit einem einzigen Wicklungsstrang (10) sowie mit einer elektronischen Steuerschaltung (18), die den Wicklungsstrang im bipolaren Betrieb mit einem Erregerstrom speist, wobei der Wicklungsstrang (10) in zwei Wicklungsteile (12, 14) aufgeteilt und zwischen den zwei Wicklungsteilen (12, 14) eine Anzapfung (16) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzapfung (16) über einen Schalter (24) mit einem definierten Potential der Steuerschaltung (18) derart verbunden ist, daß die beiden Wicklungsteile (12, 14) getrennt voneinander ansteuerbar sind, damit zum sicheren Motoranlauf in eine vorgegebene Drehrichtung ein Statorfeld mit veränderbarer Ausrichtung erzeugbar ist, und daß der Rotor und/oder der Stator mit asymmetrischen Polen (36–40; 54–60) aufgrund unterschiedlicher Polbreiten benachbarter Pole ausgebildet ist, so daß die beiden Wicklungsteile (12, 14) bei unterschiedlichen Rotorpositionen ihr maximales Drehmoment erzeugen.
Elektronisch kommutierter Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Pol des Stators durch einen mit einem Statorrückschluß (32) verbundenen Polsteg (34) gebildet ist, der an seinem freien Enden einen Polschuh (36–40) aufweist, und daß der Polschuh (38) mindestens eines Statorpols in Umfangsrichtung breiter ist als der Polschuh (36, 40) mindestens eines anderen Statorpols.
Elektronisch kommutierter Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Pol des Rotors durch entsprechend magnetisierte Permanentmagnete (42) oder Permanentmagnetabschnitte gebildet ist und daß mindestens ein Rotorpol (58, 60) in Umfangsrichtung breiter ist als mindestens ein anderer Rotorpol (54, 56).
Elektronisch kommutierter Elektromotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Asymmetrie der Pole durch eine Abweichung der Polflächen des Rotors und/oder des Stators von etwa 1-10% untereinander gebildet ist.
Elektronisch kommutierter Elektromotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wicklungsteile (12, 14) im wesentlichen gleich groß sind.
Elektronisch kommutierter Elektromotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (18) eine Umrichterschaltung mit einer Halbleiterbrücke (22) aufweist, wobei der Wicklungsstrang (10) mit der Halbleiterbrücke (22) verbunden ist und die Anzapfung (16) mit einem definierten Potential in der Umrichterschaltung über einen Schalter (24) verbunden ist.
Elektronisch kommutierter Elektromotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (24) mit einem Potentialmittelpunkt oder einer positiven oder negativen Zwischenkreis-Versorgungsspannung der Umrichterschaltung verbunden ist.
Verfahren zur Ansteuerung eines elektronisch kommutierten Elektromotors nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß für den Anlauf des Elektromotors der Schalter (24) geschlossen wird und die Wicklungsteile (12, 14) des Wicklungsstrangs (10) unterschiedlich bestromt werden, um ein magnetisches Statorfeld mit veränderbarer Ausrichtung zu erzeugen, und daß nach dem Anlauf der Schalter (24) geöffnet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß für den Anlauf des Elektromotors die Wicklungsteile (12, 14) abwechselnd jeweils mit Erregerströmen von im wesentlichen gleicher Stromgröße, jedoch entgegengesetzten Stromrichtungen und mit Erregerströmen gleicher Größe und Richtung versorgt werden.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Drehrichtung des Rotors der Wicklungsstrang (10) stromlos geschaltet wird, und anschließend die in den Wicklungsteilen (12, 14) vom Rotor induzierten Spannungen ausgewertet werden, wobei die Drehrichtung aus der Phasenverschiebung zwischen den induzierten Spannungen der beiden Wicklungsteile (12, 14) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Drehrichtung des Rotors der Wicklungsstrang (10) stromlos geschaltet wird, und das jeweilige Potential am Abgriff des Wicklungsstrangs (10) ausgewertet wird, wobei die Drehrichtung aus dem Potentialunterschied zur Zwischenkreis-Versorgungsspannung ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die Halbleiterbrücke (22) vier Zweige aufweist, die jeweils einen Halbleiterschalter (T₁–T₄) enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils für eine Halbperiode der Versorgungsspannung zwei Zweige der Halbleiterbrücke (22) geschlossen werden, um den Erregerstrom in den Wicklungsstrang (10) zu speisen, die Zweige vor dem Erreichen des nächsten Kommutierungszeitpunktes geöffnet werden, und nach dem Verstreichen des Kommutierungszeitpunktes für die nächste Halbperiode die jeweils anderen beiden Zweige der Halbleiterbrücke (22) geschlossen werden.