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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine permanentmagneterregte elektrische
Maschine für
ein Hausgerät,
insbesondere zur Pflege von Wäschestücken, mit
einem Stator, welcher eine Hauptwicklung zum Erzeugen eines magnetischen
Felds aufweist, mit einem Rotor, welcher zumindest einen Permanentmagnet
aufweist und relativ zu dem Stator rotatorisch bewegbar gelagert
ist, und mit einer Messeinrichtung zum Bestimmen einer Drehzahl
und/oder einer Winkelstellung des Rotors relativ zu dem Stator. Überdies
betrifft die vorliegende Erfindung eine Schaltungsanordnung mit
einer derartigen permanentmagneterregten elektrischen Maschine.
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Unter
dem Begriff Hausgerät
wird hier insbesondere eine Waschmaschine, ein Trockner oder ein Waschtrockner
verstanden.
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Bei
einer klassischen Steuerung einer permanentmagneterregten Synchronmaschine,
beziehungsweise einer so genannten bürstenlosen Gleichstrommaschine,
wird ein durch in der Regel drei Hallsensoren erzeugtes Drehzahlsignal
zur Ansteuerung des Motors genützt.
In einem Fehlerfall, beispielsweise bei einem Defekt einer Leistungselektronik,
einem Wicklungskurzschluss, einem Kabelbruch oder dergleichen, wird
die Drehzahl trotzdem weiter über
den Sensor detektiert und über
eine separate Elektronik ausgewertet. Hierdurch wird sichergestellt,
dass zusätzlich
geforderte Sicherheitsfunktionen, wie beispielsweise eine Türverriegelung
bei einer sich drehenden Trommel, gewährleistet sind.
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Bei
einem sensorlosen Betrieb des bürstenlosen
Gleichstrommotors ist für
den Betrieb kein Sensorsignal erforderlich, so dass eine Drehzahlerfassung über die
Auswertung einer induzierten Spannung einer Maschinenwicklung in
einem Stromnulldurchgang erfolgt. Mit anderen Worten wird so nach dem
Generatorprinzip in der Maschinenwicklung auch bei einem Motorbetrieb
eine Spannung induziert, welche wie die Betriebsspannung gepolt
ist und daher dem Rotorstrom entgegenwirkt. Diese so genannte Gegenspannung
ermöglicht
es, eine Leerlaufdrehzahl zu bestimmen. Allerdings kann dabei in einem Fehlerfall
die aus Sicherheitsgründen
vorgeschriebene Drehzahlerkennung nicht sichergestellt werden, so
dass eine zusätzliche,
unabhängige Drehzahlerfassung
vorgesehen werden muss. Eine Abhilfe schafft hier beispielsweise
ein zusätzlicher Drehzahlsensor,
wie in der Regel ein Tachometer.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Drehzahlerfassung
bei einer permanentmagneterregten elektrischen Maschine, insbesondere
eine redundante Drehzahlerfassung, zu gewährleisten.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
permanentmagneterregte elektrische Maschine sowie durch eine Schaltungsanordnung
mit den Merkmalen gemäß jeweiligem
unabhängigem
Patentanspruch gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung
sind in den abhängigen
Patentansprüchen
angegeben.
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Eine
erfindungsgemäße permanentmagneterregte
elektrische Maschine für
ein Hausgerät,
insbesondere zur Pflege von Wäschestücken, umfasst einen
Stator, welcher eine Hauptwicklung zum Erzeugen eines magnetischen
Felds aufweist, sowie einen Rotor, welcher zumindest einen Permanentmagnet
aufweist. Dabei ist der Rotor relativ zu dem Stator rotatorisch
bewegbar gelagert. Die elektrische Maschine umfasst eine Messeinrichtung
zum Bestimmen einer Drehzahl und/oder einer Winkelstellung des Rotors
relativ zu dem Stator, wobei die Messeinrichtung eine separate Messwicklung
aufweist, welche an dem Stator angeordnet ist.
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Somit
besteht ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung darin, dass
mittels einer separaten und an dem Stator angeordneten Messwicklung
die aktuelle Drehzahl und/oder die aktuelle Winkelstellung des Rotors
relativ zu dem Stator ermittelt werden kann. Der Erfindung liegt
die Erkenntnis zugrunde, dass der Rotor prinzipbedingt einen Permanentmagnet
trägt,
welcher bei Drehung des Rotors dafür sorgt, dass in der Messwicklung
eine in der Frequenz und Amplitude drehzahlproportionale Spannung
induziert wird, welche insbesondere über eine spezielle Elektronik
in ähnlicher
Weise wie ein Signal eines Hallsensors ausgewertet werden kann.
Durch die erfindungsgemäße elektrische
Maschine wird erreicht, dass die Drehzahl beziehungsweise die relative
Winkelstellung des Rotors auf wenig aufwändige Weise anhand eines Analogsignals
ermittelt werden kann. Durch Einsparung eines üblichen Drehzahlsensors wird überdies im
Hinblick auf die Fertigung eine kostenreduzierte sowie bauteilreduzierte
elektrische Maschine geschaffen.
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Vorzugsweise
ist die elektrische Maschine als Innenläufer ausgebildet.
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In
einer Ausführungsform
ist die Maschine als sensorlos gesteuerte elektrische Maschine ausgebildet,
wobei die Messeinrichtung vorzugsweise zur redundanten Drehzahlerfassung
ausgebildet ist. Hierdurch wird im Hinblick auf die Sicherheit erreicht, dass
die Drehzahl selbst in einem Fehlerfall, beispielsweise bei einem
Defekt einer Leistungselektronik, bei einem Wicklungskurzschluss,
einem Kabelbruch oder dergleichen, über die Messwicklung erfasst
werden kann und somit zusätzlich
geforderte Sicherheitsfunktionen, wie beispielsweise eine Türverriegelung
bei Trommeldrehung, sichergestellt werden können.
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Vorzugsweise
weist der Stator eine Gruppe von Zähnen auf, welche von einer
Drehachse radial beabstandet angeordnet sind, wobei die Hauptwicklung
als Zahnwicklung ausgebildet ist. In einer Ausführungsform kann die Messwicklung
als Zahnwicklung ausgebildet sein. Insbesondere ist zur Drehzahlerfassung
das Umwickeln eines beliebigen Zahnes ausreichend, wobei zur Rotorlageerfassung
vorzugsweise mehrere Zähne,
insbesondere zwei oder drei, gewickelt werden.
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Es
kann vorgesehen sein, dass ein Verhältnis einer Windungszahl der
Hauptwicklung zu einer Windungszahl der Messwicklung in einem Wertebereich
zwischen 80 und 120 liegt, insbesondere 100 beträgt. Vorzugsweise kann die Messwicklung
aus einem im Vergleich zu der Hauptwicklung dünneren Draht ausgebildet sein.
Da nur ein geringer Messstrom und eine geringere Messspannung erforderlich sind,
kann die Messwicklung aus sehr wenigen Windungen sowie sehr dünnem Draht
ausgebildet sein, so dass ein für
die Ausführung
benötigter
Anteil einer zwischen zwei Zähnen
gebildeten Nutfläche
gering ist, und hierdurch nur sehr wenig Platz für die Hauptwicklung verloren
geht.
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Vorzugsweise
ist die Hauptwicklung über
die Messwicklung gewickelt, wobei die Hauptwicklung und die Messwicklung
bevorzugt mittels eines Nadelwicklers gewickelt sind. Insbesondere
wird die Messwicklung vor der Hauptwicklung eingebracht und kann
vorzugsweise mit einer zusätzlichen
Phasenisolierung versehen sein. Dadurch, dass die Hauptwicklung über die
Messwicklung gewickelt wird, wird erreicht, dass ein zusätzlicher
mechanischer Schutz der Messwicklung gewährleistet wird. Darüber hinaus
wird durch das Wickeln sowohl der Hauptwicklung als auch der Messwicklung
mittels des Nadelwicklers im Hinblick auf die Fertigung erreicht,
dass die Messwicklung auf gleiche Weise und mit der gleichen Drahtstärke wie
die Hauptwicklung an den Stator eingebracht werden kann.
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Vorzugsweise
weist die Hauptwicklung drei Spulenstränge auf, welche zum Betrieb
mit Drehstrom ausgebildet sind.
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Eine
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
ist zum Betreiben eines Hausgeräts,
insbesondere zur Pflege von Wäschestücken, ausgebildet. Die
Schaltungsanordnung umfasst dabei die erfindungsgemäße permanentmagneterregte
elektrische Maschine.
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Vorzugsweise
ist die Messwicklung mit einem Testeingang einer Steuereinheit zum
Steuern von Prozessen des Hausgeräts gekoppelt. Hierdurch wird
erreicht, dass die Drehzahl und/oder die relative Winkelstellung
des Rotors besonders zuverlässig mittels
der Steuereinheit erfasst werden kann. Insbesondere kann die Steuereinheit
als Mikrokontroller ausgebildet sein.
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In
einer Ausführungsform
weist die Hauptwicklung drei Spulenstränge auf, welche zum Betrieb mit
Drehstrom ausgebildet sind, und mit einem Spannungswandler, insbesondere
einem Umrichter, gekoppelt sind. Vorzugsweise ist der Spannungswandler
mit der Steuereinheit gekoppelt und von dieser ansteuerbar. Insbesondere
ist der Spannungswandler in der Lage, eine Wechselspannung beziehungsweise
eine gleichgerichtete Spannung in einen Drehstrom zu wandeln, mit
welchem die elektrische Maschine versorgbar ist. Vorzugsweise kann
der Spannungswandler eine Brückenschaltung
mit mehreren Transistoren, insbesondere Feldeffekttransistoren, aufweisen.
Insbesondere kann somit die elektrische Maschine elektronisch kommutiert
werden. Insbesondere stellt der Gleichrichter also einen Drehstromregler
dar. Durch die geschickte Kopplung des Spannungswandlers mit der
Steuereinheit wird erreicht, dass die mittels der Messwicklung erfasste Drehzahl
des Rotors zur Ansteuerung und somit zur Regelung der elektrischen
Maschine herangezogen werden kann.
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Vorzugsweise
ist der Spannungswandler mit einem Gleichrichter, insbesondere einem
Brückengleichrichter,
gekoppelt, welcher mit einem Eingang der Schaltungsanordnung gekoppelt
ist. Hierdurch wird erreicht, dass eine Wechselspannung von Seiten
eines Vorsorgungsnetzes gleichgerichtet werden kann, und somit der
Spannungswandler lediglich zum Betrieb mit Gleichspannung ausgebildet
werden muss. Vorzugsweise ist der Gleichrichter mit dem Eingang über einen
EMV-Filter gekoppelt. Hierdurch wird erreicht, dass keine Störsignale
von Seiten der elektrischen Maschine in das Versorgungsnetz übertragen
werden können.
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Vorzugsweise
ist ein Zwischenkreiskondensator parallel zu dem Gleichrichter und
dem Spannungswandler geschaltet, wobei ein Spannungsteiler bevorzugt
parallel zu dem Gleichrichter und dem Spannungswandler geschaltet
ist, und zwischen zwei Widerständen
des Spannungsteilers ein Spannungserfassungspol ausgebildet ist,
welcher mit einem Messeingang der Steuereinheit gekoppelt ist. Insbesondere
stellt der Zwischenkreiskondensator einen Energiespeicher dar und
weist vorzugsweise die Aufgabe auf, eine eine Welligkeit aufweisende
Zwischenkreisspannung zu glätten. Überdies
wird durch den Einsatz des Spannungsteilers mit den zwei Widerständen erreicht,
dass die Zwischenkreisspannung von der Steuereinheit erfasst werden
kann. Vorzugsweise ist ein Zwischenkreiswiderstand zum Absorbieren
einer Zwischenkreisspannung parallel zu dem Gleichrichter oder dem
Spannungswandler geschaltet, wobei ein elektronisches Steuerelement, insbesondere
ein Transistor, in Reihe mit dem Zwischenkreiswiderstand geschaltet
ist, welches von der Steuereinheit ansteuerbar ist. Hierdurch wird
gewährleistet,
dass eine zu große
Zwischenkreisspannung durch den Zwischenkreiswiderstand absorbiert und
reduziert werden kann.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
sowie anhand der Zeichnung.
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Die
einzige Figur zeigt eine Schaltungsanordnung zum Betreiben eines
Hausgeräts
mit einer permanentmagneterregten elektrischen Maschine.
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Eine
in der Figur dargestellte Schaltungsanordnung 1 ist zum
Betreiben eines Hausgeräts
zur Pflege von Wäschestücken, vorliegend
einer Waschmaschine, ausgebildet. Das Hausgerät kann auch ein Trockner oder
ein Waschtrockner sein.
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Die
Schaltungsanordnung 1 umfasst eine permanentmagneterregte
elektrische Maschine 2, welche wiederum einen Statur sowie
einen relativ zu dem Statur rotatorisch bewegbar gelagerten Rotor aufweist.
Dabei umfasst der Rotor Permanentmagnete, wobei dem Statur eine
Hauptwicklung 3 zugeordnet ist, welche vorliegend drei
Spulenstränge 3a, 3b, 3c aufweist.
Vorliegend ist die permanentmagneterregte elektrische Maschine 2 zum
Betrieb mit Drehstrom ausgebildet.
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Im
vorliegenden Beispiel sind die drei Spulenstränge 3a, 3b, 3c mit
einem Spannungswandler 4 gekoppelt, welcher vorliegend
in Form einer Brückenschaltung
ausgebildet ist und die Aufgabe eines Umrichters aufweist. Die Schaltungsanordnung 1 umfasst
ferner eine Steuereinheit 5, welche mit dem Spannungswandler 4 über eine
Treibereinrichtung 6 gekoppelt ist, welche zu Gunsten der
Sicherheit für eine
Pegelanpassung von Steuersignalen der Steuereinheit 5 sorgt.
Die Steuereinheit 5 ist vorliegend als ein Mikrokontroller
ausgebildet. An dieser Stelle sei erwähnt, dass der Spannungswandler 4 eine Mehrzahl
von Transistoren, vorliegend Feldeffekttransistoren, umfasst, über welche
die drei Spulenstränge 3a, 3b, 3c der
elektrischen Maschine 2 kommutiert werden. Mit anderen
Worten werden die drei Spulenstränge 3a, 3b, 3c vorliegend
elektronisch kommutiert, wobei der Spannungswandler 4 einen Drehstromregler
darstellt.
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Die
Schaltungsanordnung 1 weist überdies einen Eingang 7 auf,
an welchem ein EMV-Filter 8 angeordnet
ist, welches die Aufgabe hat, ein Übertragen von Störsignalen
der Schaltungsanordnung 1 in ein Versorgungsnetz zu verhindern,
und somit das Versorgungsnetz und andere an das Versorgungsnetz
angeschlossene Geräte
zu schützen.
Das EMV-Filter 8 ist mit einem Gleichrichter 9 gekoppelt, welcher
vorliegend als Brückengleichrichter
mit vier Dioden ausgebildet ist. Der Gleichrichter 9 ist überdies
mit dem Spannungswandler 4 über Zwischenkreispole 10, 11 gekoppelt.
Durch Einsatz des Gleichrichters 9 wird gewährleistet,
dass der Spannungswandler 4 mit einer gleichgerichteten
Spannung versorgt wird. Zwischen den beiden Zwischenkreispolen 10, 11 ist
ein Zwischenkreiskondensator 12 parallel zu dem Gleichrichter 9 und
dem Spannungswandler 4 geschaltet. Dieser Zwischenkreiskondensator 12 hat
dafür zu
sorgen, den Gleichrichter 9 und den Spannungswandler 4 auf
einer gemeinsamen Gleichspannungsebene energetisch miteinander zu
verkoppeln. So stellt der Zwischenkreiskondensator 12 einen
Energiespeicher dar, mittels welchem eine Welligkeit einer Wechselspannung
von Seiten des Versorgungsnetzes zu glätten ist.
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Zwischen
den beiden Zwischenkreispolen 10, 11 ist überdies
ein Spannungsteiler 13 parallel zu dem Zwischenkreiskondensator 12 geschaltet.
Der Spannungsteiler 13 umfasst dabei zwei Spannungsteilerwiderstände 13a, 13b,
zwischen welchen ein Spannungserfassungspol 14 ausgebildet
ist. Der Spannungserfassungspol 14 ist vorliegend mit einem Messeingang 15 der
Steuereinheit 5 der Schaltungsanordnung 1 gekoppelt.
Hierdurch kann eine zwischen den beiden Zwischenkreispolen 10, 11 anliegende
Spannung erfasst und mittels der Steuereinheit 5 ausgewertet
werden. Hierzu ist überdies
ein Zwischenkreiswiderstand 16 vorgesehen, welcher parallel
zu dem Zwischenkreiskondensator 12 zwischen den beiden
Zwischenkreispolen 10, 11 geschaltet ist. Darüber hinaus
ist ein Transistor 17 in Reihe mit dem Zwischenkreiswiderstand 16 geschaltet,
dessen Steueranschluss 18 mit einem Ausgang 19 der
Steuereinheit 5 gekoppelt ist. Dabei hat der Zwischenkreiswiderstand 16 die
Aufgabe, eine zwischen den beiden Zwischenkreispolen 10, 11 anliegende
Spannung gegebenenfalls zu absorbieren und somit zu vernichten.
Durch die Seriellschaltung des Zwischenkreiswiderstands 16 mit
dem Transistor 17 wird erreicht, dass ein über den
Zwischenkreiswiderstand 16 sowie den Transistor 17 fließender Strom von
der Steuereinheit 5 durch eine Ansteuerung des Transistors 17 geregelt
werden kann. Ist die zwischen den Zwischenkreispolen 10, 11 anliegende Spannung
zu groß,
was von der Steuereinheit 5 über den Spannungsteiler 13 festgestellt
werden kann, so wird der Transistor 17 angesteuert, so
dass über
den Zwischenkreiswiderstand 16 Strom fließt.
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An
dieser Stelle sei erwähnt,
dass die drei Spulenstränge 3a, 3b, 3c der
Hauptwicklung 3 des Stators der elektrischen Maschine 2 mit
einer Einrichtung 20 zum Erfassen einer Gegenspannung der elektrischen
Maschine 2 gekoppelt sind. Diese Einrichtung 20 ist
mit der Steuereinheit 5 gekoppelt. Nach einem Generatorprinzip
wird in der Hauptwicklung 3 auch bei einem Motorbetrieb
der elektrischen Maschine 2 eine Spannung induziert. Diese
induzierte Spannung stellt die Gegenspannung der elektrischen Maschine 2 dar.
Die Einrichtung 20 ist somit in der Lage, eine Leerlaufdrehzahl
der permanentmagenterregten elektrischen Maschine 2 sowie
die aktuelle Lage des Rotors bezüglich
des Stators zu erfassen. Üblicherweise
wird eine derartige Rotorlage- beziehungsweise Drehzahlerfassung
zum Ansteuern einer sensorlos gesteuerten elektrischen Maschine verwendet.
Allerdings kann eine aus Sicherheitsgründen vorgeschriebene Drehzahlerkennung
in einem Fehlerfall nicht sichergestellt werden, so dass eine zusätzliche,
unabhängige
Drehzahlerfassung vorgesehen werden muss. Hierzu umfasst der Stator der
elektrischen Maschine 2 eine separate Messwicklung 21,
welche vorliegend zugunsten einer zuverlässigen Rotorlageerfassung in
Nuten dreier Spulenstränge 3a, 3b, 3c des
Stators eingebracht sind. Dabei handelst es sich um Nuten des Stators,
welche zwischen jeweils zwei Zähnen
des Stators ausgebildet sind. Im Vergleich mit der Hauptwicklung 3 ist
die Messwicklung 21 aus wenigen Windungen ausgebildet,
so dass der für
die Ausführung
benötigte
Anteil der Nutfläche
sehr gering ist und damit nur sehr wenig Platz für die Hauptwicklung 3 verloren
geht. Im vorliegenden Beispiel ist die Messwicklung 21 vor
der Hauptwicklung 3 eingebracht und umfasst eine nicht dargestellte
zusätzliche
Phasenisolierung, wobei die Hauptwicklung 3 vorliegend über die
Messwicklung 21 gewickelt ist, wodurch ein zusätzlicher
mechanischer Schutz der Messwicklung gewährleistet ist. Die Messwicklung 21 ist
darüber
hinaus mit einer Messeinrichtung 22 gekoppelt, welche zum
Erfassen der Drehzahl und der Lage des Rotors bezüglich des
Stators der elektrischen Maschine 2 ausgebildet ist. Diese
Messeinrichtung 22 ist überdies
mit der Steuereinheit 5 gekoppelt. Somit wird die Möglichkeit
eingeräumt,
die Drehzahl der elektrischen Maschine 2 von Seiten der
Steuereinheit 5 in Abhängigkeit
von Signalen der Messeinrichtung 22 zu regeln. Darüber hinaus
wird hierdurch gewährleistet,
dass in einem Fehlerfall die aus Sicherheitsgründen vorgeschriebene Drehzahlerkennung
aufgrund der Messwicklung 21 und der zusätzlichen
Drehzahlerfassung sichergestellt ist. Eine Türverriegelung bei einer sich
drehenden Trommel ist hierdurch sichergestellt. Ein weiterer Vorteil
der Messwicklung 21 besteht vorliegend darin, dass kein
zusätzlicher
Drehzahlsensor, wie beispielsweise ein Hallsensor, erforderlich
ist, wodurch eine kostenreduzierte Schaltungsanordnung 1 geschaffen wird.