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Die
Erfindung bezieht sich auf einen elektronisch kommutierten Motor
mit einem auf einer drehbar gelagerten Welle angeordneten Rotor,
der gleichmäßig am Umfang
verteilt Permanentmagnete aufweist und der von einem gleichmäßig am Umfang verteilte
Magnetspulen aufweisenden Stator umschlossen ist.
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Derartige
elektronisch kommutierte Motoren im Bereich von Kleinmaschinen erfordern
elektronische Schaltungen zur korrekten Ansteuerung dieser Motoren.
Da die meisten dieser Motoren in sehr kostensensitiven Bereichen
wie z. B. wie z. B. der Kraftfahrzeuganwendung eingesetzt werden,
sind sie ohne Rotor-Positionsgeber aufgebaut. Vom Konstruktionsprinzip
dieser Maschinen her handelt es sich um Synchronmaschinen mit permanent
erregtem Magnetrotor. Bei dieser Art von Maschinen folgt der Rotor
im Normalbetrieb dem durch Bestromung erzeugten Statorfeld synchron,
also mit derselben Geschwindigkeit. Im eingeschwungenen Idealfall stellt
sich lastabhängig
der sogenannte Polradwinkel ein. Der Polradwinkel beschreibt den
Winkel, um den das Rotormagnetfeld dem Statormagnetfeld bei einem
bestimmten Lastmoment hinterherhinkt. Er kann per Definition zwischen
null und neunzig Grad liegen. Bei ideal null Grad kann der Rotor
keinerlei Drehmoment aufbringen, bei neunzig Grad das maximale Drehmoment,
das auch Kippmoment genannt wird. Werden neunzig Grad überschritten,
so verringert sich das verfügbare
Drehmoment wieder. Im regulären
Antriebsfall führt
eine solche, auch nur kurzzeitige Überschreitung des Kippmomentes
zum außer Tritt
fallen des Rotors mit dem Statorfeld. Der Motor bleibt bei Eintreten
einer solchen Situation zumeist stehen.
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Damit
ein gleichmäßiger Synchronlauf
unter konstantem Polradwinkel eintritt sind diverse Randbedingungen,
insbesondere der Belastungsfälle
und Bestromung einzuhalten. Insbesondere wird meist von einem mehr
oder minder gleichförmig
umlaufenden Magnetisierungsvektor des Statorfeldes bei sinusförmiger Bestromung
oder bei Anlegen eines gleichförmigen
Vektorfeldes mit Sinusspannungen an den Strängen ausgegangen.
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Die
im Kleinleistungsbereich überlicherweise eingesetzten
elektronischen Kommutierungsschaltungen bieten aber aus Kostengründen keine
sinusbewertete Spannung, sondern nur Blockkommutierung mit festen
Spannungsblöcken
an. Dies führt
zu Oberwellen im Feldvektor des Statorfeldes und damit auch zu Modulationen
des Drehmomentvektors, der am Rotor wirksam wird. Daraus ergibt
sich ein in seinem Drehzahlvektor schwankender Rotor und damit auch
eine drehzahlmodulierte mechanische Last mit zum Teil erheblicher
Geräuschentwicklung.
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Ein
weiteres Problem stellt der Anlauf solcher Systeme dar. Im Anlauffall
hat die Elektronik noch keine Information über die genaue Lage des Rotors.
Diese Information wird in sensorlosen Systemen im Allgemeinen durch
Auswertung der durch Rotorfeldänderungen
induzierten Spannung in einem gerade nicht bestromten Strang erhalten.
Dies erfordert aber einen bereits drehenden Rotor. Um dem Problem
zu begegnen, wird üblicherweise
mit einem bestimmten Pulsmuster blind zur Ausrichtung bestromt und
dann eine Anlaufsequenz gestartet. Abhängig vom mechanischen Lastfall
führt dieses
Verfahren aber nicht immer direkt zum Erfolgt und muss mehrfach
wiederholt werden. In Systemen mit zeitkritischen Anforderungen
an die Verfügbarkeit
ist dies unerwünscht.
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Der
An- und Hochlauf auf Nenndrehzahl ist außerdem lastabhängig. Während das
Statorfeld beschleunigt, darf dabei das Kippmoment des Rotors nicht überschritten
werden. Wenn die Drehmomentensumme aus Lastmoment und beschleunigter
Massenträgheit
von Rotor und Last das Kippmoment überschreitet, so fällt der
Rotor außer
Tritt. Dies führt ohne
besondere Vorkehrungen zu einem Rotorstillstand.
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Als
weiteres Problem stellt sich die Systemverfügbarkeit bei Ausfall der Elektronik
dar. Die typischen Systeme zum Betrieb eines solchen EC-Motors benutzen
einen Mikroprozessor als zentrale Steuerkomponente. Dieser Prozessor
dient zur Erzeugung der entsprechenden Pulsmuster, die dann durch
Leistungstreiber umgesetzt werden. Um bei einem Ausfall dieses Prozessors
durch z. B. Softwarefehler wird dies durch den parallelen Einsatz
mehrerer unabhängiger
Prozessoren und entsprechende Umschaltmechanismen erreicht. Bei
den hier betrachteten Kleinsystemen wäre eine solche Lösung unökonomisch.
Daher muss hier auf eine sehr einfache Schaltung mit stark reduzierter
Funktionalität
zurückgegriffen
werden können.
Eine solche Lösung
ist aber nur möglich,
wenn die Elektromaschine mit der stark vereinfachten Funktionalität betrieben
und insbesondere auch aus dem Stillstand heraus angefahren werden
kann.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher einen elektronisch kommutierten Motor
zu schaffen, durch den die o. g. Probleme beseitig werden und der
einen einfachen Aufbau aufweist und bei dem ein Pendeln des Rotors
weitgehend vermieden wird.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass der Rotor einen konzentrisch zur Drehachse der Welle angeordneten,
metallischen Kurzschlusskäfig
aufweist, der aus Kurzschlussstäben
und jeweils die axialen Enden der Kurzschlussstäbe miteinander verbindenden
Kurzschlussringen besteht, wobei sich die Kurzschlussstäbe durch
das Magnetmaterial der Permanentmagnete erstrecken.
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Dabei
können
die Kurzschlussstäbe
sich parallel zur Welle erstrecken und/oder sich äquidistant zur
Welle erstrecken und/oder voneinander gleichen Abstand in Umfangsrichtung
aufweisen.
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Das
Anlaufverhalten kann durch den Kurzschlusskäfig dem Verhalten einer Asynchronmaschine
mit den entsprechenden Eigenschaften in der Drehzahl-Drehmoment
Kennlinie angepasst werden. Es steht damit ein entsprechendes Drehmoment über einen
weiten Drehzahlbereich und nicht nur bei der Synchrondrehzahl zur
Verfügung.
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Dies
bedeutet, dass es nicht mehr notwendig ist, die Rotorposition zu
detektieren, da der Motor von alleine starten kann. Dadurch kann
der Anlauf sicherer und mit erheblich weniger Soft- und Hardwareaufwand
im Mikrokontroller erreicht werden. Im Idealfall muss nur noch das
Feld eingeschaltet werden und der Rotor beschleunigt von alleine
bis auf Felddrehzahl. In der Nähe
der Felddrehzahl wird der Rotor dann in den Synchronismus gezogen,
das heißt,
er dreht ab dann exakt auf der Felddrehzahl. In diesem Betriebszustand
verhält
sich die Maschine dann wieder wie eine reine Synchronmaschine mit
entsprechend höherem
Drehmoment und geringen Verlusten.
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Ein
weiterer Vorteil eines Kurzschlusskäfigs liegt in einem weniger
kritischen Verhalten bei geringen Drehzahlen. Hier haben die aktuellen
EC-Motoren mit Elektronik Probleme mit dem stabilen Lauf bis zur
Drehzahl Null. Dies limitiert die Drehzahl und den Regelbereich
nach unten. Für
den Einsatz im Kraftstoffpumpenbereich ist es aber manchmal vorteilhaft, sehr
geringe Drehzahlen und Drücke
einstellen zu können.
Dies wird mit einem Kurzschlusskäfig
erheblich erleichtert.
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Sollte
der Rotor durch einen unerwarteten Lastsprung aus dem synchronen
Lauf springen, so führt
dies nicht zu einem Stillstand der Maschine, sondern nur zu einem
asynchronen Laufverhalten mit reduzierter Drehzahl. Sobald die Lastsituation
es wieder zulässt,
wird der Rotor wieder in den Synchronlauf zum Statorfeld übergehen.
Ein solches Verhalten macht die Maschine erheblich robuster gegen
unerwartete Betriebszustände
und erlaubt es die Steuerelektronik stark zu vereinfachen, wodurch
sich Kosten sparen lassen.
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Der
Kurzschlusskäfig
stellt auch eine Dämpfung
gegen Pendelschwingungen dar. Dies reduziert unerwünschte hochfrequente
Momentenschwankungen und kann bei der Geräuschreduktion eines solchen
Systems helfen.
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Die
Permanentmagnete können
einen Magnetring bilden.
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Zur
einfachen Herstellbarkeit kann der Magnetring ein aus einem kunststoffgebundenen
Magnetmaterial bestehendes Spritzgussteil sein, bei dem die Permanentmagnete
durch Aufmagnetisierung des Magnetmaterials erzeugt sein können.
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Die
Teilung der Kurzschlussstäbe
des Kurzschlusskäfigs
können
der Teilung der Permanentmagnete entsprechen oder auch ungleich
der Teilung der Permanentmagnete sein.
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Eine
Möglichkeit
zur Ausbildung des Kurzschlusskäfigs
besteht darin, dass der Kurzschlusskäfig aus Kurzschlussstäben besteht,
die an ihren freien Enden mit den Kurzschlussringen verbunden sind.
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Besonders
einfach und kostengünstig
herstellbar ist es, wenn der Kurzschlusskäfig aus einem Rohr besteht,
das die Lücken
zwischen den Kurzschlussstäben
bildende Aussparungen aufweist, die durch Ausstanzen hergestellt
sein können.
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Um
den magnetischen Fluss zu leiten, ist vorzugsweise in dem Ringraum
zwischen der Welle und den Permanentmagneten ein Eisenrückschlusskörper angeordnet.
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Durch
den Motor können
eine oder mehrere Pumpenstufen einer Kraftstoffpumpe eines Kraftfahrzeugs
antreibbar sein.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen
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1 eine
perspektivische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Kurzschlusskäfigs eines
Rotors eines elektronisch kommutierten Motors
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2 einen
Querschnitt eines Rotors mit einem Kurzschlusskäfig nach 1
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3 eine
perspektivische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Kurzschlusskäfigs eines
Rotors eines elektronisch kommutierten Motors.
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Die
in den Figuren dargestellten Kurzschlusskäfige 1, 1' von Rotoren
eines elektronisch kommutierten Motors bestehen aus gleichlangen
parallel und äquidistant
zueinander angeordneten Kurzschlussstäben 2, 2', die in einem
Kreis angeordnet und an ihren freien Enden über Kurzschlussringe 3, 3' miteinander
verbunden sind.
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Zentrisch
durch die Kurzschlusskäfige 1, 1' erstreckt sich
eine Welle 4 des Rotors, die vorzugsweise eine metallische
Welle ist.
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In
den 1 und 2 sind die Kurzschlussstäbe 2 runden
Querschnitts, die mit ihren freien Enden in gleichmäßig am Umfang
verteilt an den Kurzschlussringen 3 ausgebildete Axialbohrungen 5 ragen
und dort z. B. durch Schweißen
fest mit den als Ringscheiben ausgebildeten Kurzschlussringen 3 verbunden
sind.
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In 3 ist
der Kurzschlusskäfig 1' einteilig aus
einem Rohr ausgebildet, in den die Lücken zwischen den Kurzschlussstäben 2' durch Aussparungen 6 gebildet
sind, die durch Ausstanzen erzeugt werden.
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Wie
in 2 zu sehen ist, ist der Kurzschlusskäfig 1 in
einem Magnetring 7 aus kunststoffgebundenem Magnetmaterial eingespritzt.
Anschließend
sind durch Aufmagnetisierung die Permanentmagnete 8 erzeugt.
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Der
Ringraum zwischen der Welle 4 und dem Magnetring 7 ist
zur Leitung des magnetischen Flusses mit einem Eisenrückschlusskörper 9 ausgefüllt.
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- 1
- Kurzschlusskäfig
- 1'
- Kurzschlusskäfig
- 2
- Kurzschlussstäbe
- 2'
- Kurzschlussstäbe
- 3
- Kurzschlussringe
- 3'
- Kurzschlussringe
- 4
- Welle
- 5
- Axialbohrungen
- 6
- Aussparungen
- 7
- Magnetring
- 8
- Permanentmagnete
- 9
- Eisenrückschlusskörper