DE102007038732A1 - Elektronisch kommutierter Motor - Google Patents

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Rolf Dr. Graf
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Continental Automotive GmbH
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/46Motors having additional short-circuited winding for starting as an asynchronous motor

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronisch kommutierten Motor mit einem auf einer drehbar gelagerten Welle 4 angeordneten Rotor, der gleichmäßig am Umfang verteilt Permanentmagnete 8 aufweist und der von einem gleichmäßig am Umfang verteilte Magnetspulen aufweisenden Stator umschlossen ist. Der Rotor weist einen konzentrisch zur Drehachse der Welle 4 angeordneten, metallischen Kurzschlusskäfig 1 auf, der aus Kurzschlussstäben 2 und jeweils die axialen Enden der Kurzschlussstäbe 2 miteinander verbindenden Kurzschlussringen 3 besteht, wobei sich die Kurzschlusstäbe 2 axial durch das Magnetmaterial der Permanentmagnete 8 erstrecken.

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Dabei können die Kurzschlussstäbe sich parallel zur Welle erstrecken und/oder sich äquidistant zur Welle erstrecken und/oder voneinander gleichen Abstand in Umfangsrichtung aufweisen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der Kurzschlusskäfig stellt auch eine Dämpfung gegen Pendelschwingungen dar. Dies reduziert unerwünschte hochfrequente Momentenschwankungen und kann bei der Geräuschreduktion eines solchen Systems helfen.
  • Die Permanentmagnete können einen Magnetring bilden.
  • 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.
  • Die Teilung der Kurzschlussstäbe des Kurzschlusskäfigs können der Teilung der Permanentmagnete entsprechen oder auch ungleich der Teilung der Permanentmagnete sein.
  • Eine Möglichkeit zur Ausbildung des Kurzschlusskäfigs besteht darin, dass der Kurzschlusskäfig aus Kurzschlussstäben besteht, die an ihren freien Enden mit den Kurzschlussringen verbunden sind.
  • 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.
  • Um den magnetischen Fluss zu leiten, ist vorzugsweise in dem Ringraum zwischen der Welle und den Permanentmagneten ein Eisenrückschlusskörper angeordnet.
  • Durch den Motor können eine oder mehrere Pumpenstufen einer Kraftstoffpumpe eines Kraftfahrzeugs antreibbar sein.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
  • 1 eine perspektivische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Kurzschlusskäfigs eines Rotors eines elektronisch kommutierten Motors
  • 2 einen Querschnitt eines Rotors mit einem Kurzschlusskäfig nach 1
  • 3 eine perspektivische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Kurzschlusskäfigs eines Rotors eines elektronisch kommutierten Motors.
  • 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.
  • Zentrisch durch die Kurzschlusskäfige 1, 1' erstreckt sich eine Welle 4 des Rotors, die vorzugsweise eine metallische Welle ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der Ringraum zwischen der Welle 4 und dem Magnetring 7 ist zur Leitung des magnetischen Flusses mit einem Eisenrückschlusskörper 9 ausgefüllt.
  • 1
    Kurzschlusskäfig
    1'
    Kurzschlusskäfig
    2
    Kurzschlussstäbe
    2'
    Kurzschlussstäbe
    3
    Kurzschlussringe
    3'
    Kurzschlussringe
    4
    Welle
    5
    Axialbohrungen
    6
    Aussparungen
    7
    Magnetring
    8
    Permanentmagnete
    9
    Eisenrückschlusskörper

Claims (11)

  1. Elektronisch kommutierter 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, dadurch gkennzeichnet, dass der Rotor einen konzentrisch zur Drehachse der Welle (4) angeordneten, metallischen Kurzschlusskäfig (1, 1') aufweist, der aus Kurzschlussstäben (2, 2') und jeweils die axialen Enden der Kurzschlussstäbe (2, 2') miteinander verbindenden Kurzschlussringen (3, 3') besteht, wobei sich die Kurzschlussstäbe (2, 2') durch das Magnetmaterial der Permanentmagnete (8) erstrecken.
  2. Elektronisch kommutierter Motor nach Anspruch 1, dadurch gkennzeichnet, dass die Kurzschlußstäbe sich parallel zur Welle erstrecken und/oder sich äquidistant zur Welle erstrecken und/oder voneinander gleichen Abstand in Umfangsrichtung aufweisen.
  3. Elektronisch kommutierter Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (8) einen Magnetring (7) bilden.
  4. Elektronisch kommutierter Motor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetring (7) ein aus einem kunststoffgebundenen Magnetmaterial bestehendes Spritzgußteil ist.
  5. Elektronisch kommutierter Motor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Per manentmagnete (8) durch Aufmagnetisierung des Magnetmaterials erzeugt sind.
  6. Elektronisch kommutierter Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilung der Kurzschlussstäbe (2, 2') des Kurzschlusskäfigs (1, 1') der Teilung der Permanentmagnete (8) entspricht.
  7. Elektronisch kommutierter Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilung der Kurzschlussstäbe des Kurzschlusskäfigs ungleich der Teilung der Permanentmagnete ist.
  8. Elektronisch kommutierter Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurzschlusskäfig (1) aus Kurzschlussstäben (2) besteht, die an ihren freien Enden mit den Kurzschlussringen (3) verbunden sind.
  9. Elektronisch kommutierter Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurzschlusskäfig (1') aus einem Rohr besteht, das die Lücken zwischen den Kurzschlussstäben (2') bildende Aussparungen (6) aufweist.
  10. Elektronisch kommutierter Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Ringraum zwischen der Welle (4) und den Permanentmagneten (8) ein Eisenrückschlußkörper (9) angeordnet ist.
  11. Elektronisch kommutierter Motor nach Anspruch 1, dadurch gkennzeichnet, daß durch den Motor eine oder mehrere Pumpenstufen einer Kraftstoffpumpe eines Kraftfahrzeugs antreibbar sind.
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