DE102008036704B4 - Direct current machine with electronic commutation - Google Patents

Direct current machine with electronic commutation

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DE102008036704B4 DE200810036704 DE102008036704A DE102008036704B4 DE 102008036704 B4 DE102008036704 B4 DE 102008036704B4 DE 200810036704 DE200810036704 DE 200810036704 DE 102008036704 A DE102008036704 A DE 102008036704A DE 102008036704 B4 DE102008036704 B4 DE 102008036704B4
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    • HELECTRICITY
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    • H02K29/08Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with position sensing devices using magnetic effect devices, e.g. Hall-plates, magneto-resistors

Abstract

Eine bürstenlose Gleichstrom-Maschine soll eine energieoptimale Steuerung der Kommutierung auch unter stark schwankenden Lastbedingungen und mit möglichst sparsamen Regelkreisen ermöglichen und einen kleinen Herstellungsaufwand verursachen. A brushless DC machine is to allow energy-optimal commutation control under widely varying load conditions and with most economical control circuits and cause a small manufacturing effort.

Erfindungsgemäß wird eine geschlossene, fortschreitende Wicklung verwendet, die in zweckmäßiger Weise elektronisch kommutiert wird. According to the invention, a closed, progressive winding is used which is electronically commutated in an expedient manner. Weiterhin werden spezielle Lösungen für die Gewinnung der phasenrichtigen und lastabhängigen Kommutierungszeiten angegeben. Furthermore, special solutions for the production of in-phase and load-dependent commutation are given.

Die Erfindung eignet sich für alle elektrischen Gleichstrom-Maschinen, bevorzugt aber solche mit kleiner und mittlerer Leistung. The invention is suitable for all DC electrical machines, but preferably those with low and medium power.

Description

  • Einsatzgebiet und technischer Hintergrund Application and technical background
  • Die Erfindung betrifft elektronisch kommutierte, so genannte bürstenlose, Gleichstrom-Maschinen in der Anwendung als Motor oder als Generator. The invention relates to electronically commutated, so-called brushless DC machines in the application as a motor or as a generator. Diese bestehen vorzugsweise aus einem Stator mit elektrischen Wicklungen und einem Permanentmagnet-Rotor. These preferably consist of a stator with electric windings and a permanent magnet rotor. Weichmagnetische Rückschlüsse können mit dem Rotor oder dem Stator verbunden sein. Soft magnetic conclusions can be connected to the rotor or the stator. Zusätzlich zu den allgemein gültigen Forderungen nach einem möglichst hohen Wirkungsgrad und kleinem technologischen Fertigungsaufwand geht es hier besonders auch um optimale Maschinenausnutzung, sowie einen ruhigen, geräuscharmen Lauf und einen niedrigen elektromagnetischen Störpegel. In addition to the generally applicable requirements for the highest possible efficiency and small technological manufacturing outlay issue here especially to optimum machine utilization, as well as a quiet, low-noise operation and low electromagnetic interference level. Auch wenn in den nachfolgenden Betrachtungen bürstenlose Gleichstrom-Motoren zum Teil bevorzugt beschrieben werden zeigt sich doch, dass die grundlegenden Lehren vorteilhaft auch für bürstenlose Gleichstrom-Generatoren, zum Beispiel in Windkraftanlagen, anwendbar sind. Although brushless DC motors are sometimes preferred described in the following considerations as it emerges that the basic teachings beneficial for brushless DC generators, for example in wind turbines, are applicable.
  • Stand der Technik State of the art
  • Unter elektronisch kommutierten Gleichstrom-Maschinen werden im Allgemeinen solche Maschinen verstanden, die dem magnetisch-mechanischen Wirkprinzip nach eigentlich Synchron-Maschinen, also Wechselstrom-Maschinen, sind. Under electronically commutated DC machines, such machines are generally understood by the fact synchronous machines, so AC machines are the magneto-mechanical principle of action. Letztere sind durch Phasenwicklungen gekennzeichnet, die aus den sinusförmigen Betriebsströmen ein harmonisches magnetisches Drehfeld, oder umgekehrt aus einer gleichförmigen Drehbewegung sinusförmige Betriebsströme, erzeugen. The latter are characterized by phase windings, which generate from the sinusoidal operating currents harmonious rotating magnetic field, or vice versa sinusoidal from a uniform rotary motion of the operating currents. Charakteristisch für Phasenwicklungen in Synchron-Maschinen ist der direkte konstruktive Zusammenhang zwischen der Spulenzahl und der Polzahl. Characteristic of phase windings in synchronous machines is the direct constructive relationship between the number of coils and the number of poles. In einer typischen Dreiphasen-Maschine ist das Verhältnis zwischen beiden Zahlen 3:2, also z. In a typical three-phase machine is the ratio between two numbers 3: 2, ie for. B. eine 6-polige Wicklung mit einem 4-poligen Läufer. For example, a 6-pole winding with a 4-pole rotor. Das Erzeugen eines sinusförmigen Stroms für den Betrieb eines Wechselstrom-Motors mit Umrichter aus einer Gleichspannung ist mit bekannten technischen Problemen, bzw. Kompromissen verbunden, die teils den Wirkungsgrad einschränken, teils hochfrequente Oberwellen erzeugen, die zu elektromagnetischen Störungen führen. Generating a sinusoidal current for the operation of an AC motor with an inverter from a DC voltage is connected to known technical problems, or connected compromises that limit the extent efficiency, partly produce high-frequency harmonics, leading to electromagnetic interference. Weitere Methoden der Ansteuerung, die vor allem der Vereinfachung dienen sollen, führen grundsätzlich zur Verschlechterung des Betriebsverhaltens gegenüber dem Sinusstrom. Other methods of control that are to be the need to simplify, generally lead to degradation in performance compared to the sinusoidal current. Der bis hierher beschriebene Maschinentyp wird nachfolgend aus dem Begriff 'Gleichstrom-Maschine' ausgeschlossen. The machine type described so far is excluded subsequently from the term 'direct current machine'.
  • Gleichstrom-Maschinen im ursprünglichen Sinne sind mit einem Bürsten-Kommutator ausgestattet, der nicht nur den Betriebsstrom an den Rotor leitet, sondern auch als synchron zum Drehwinkel schaltender Polwechsler zur Kommutierung der Rotorspulen dient. DC machines in the original sense are equipped with a brush-commutator which not only passes the operating current to the rotor, but also as a synchronous switching to the rotational angle pole changer for commutation of the rotor coils is used. Im Unterschied zu den Phasenwicklungen der oben beschriebenen Synchron-Maschinen ist die typische Wicklungsform dieser Kommutatormaschinen die fortlaufende, in sich geschlossene, Wicklung. In contrast to the phase windings of the above-described synchronous machines, the typical winding form of the commutator is the continuous, self-contained, winding. Bei entsprechender Konstruktion gelingt es damit, beinahe die gesamte Wicklung ständig mit Betriebsstrom konstanten Betrages zu beaufschlagen. With appropriate design is successful in to apply almost the entire winding continuously operating power constant amount. Je höher dabei die Stegzahl gewählt wird, desto kleiner ist die Teilwicklung, die pro Kommutatorschritt umzupolen ist. The higher this number is, the web, the smaller the partial winding which is to reverse the polarity per Kommutatorschritt. Das Prinzip der Gleichstrom-Maschine ist der Synchron-Maschine also in einigen Eigenschaften überlegen. The principle of the direct current machine is superior so in some properties of the synchronous machine. Andererseits sind die vielfältigen Betriebsprobleme der mechanischen Bürsten, wie z. On the other hand, the various operational problems of mechanical brushes such. B. Abrieb, Verschleiß und Bürstenfeuer, allseits bekannt, so dass bürstenlose Maschinen zweifelsfrei fortschrittlicher sind. As abrasion, wear and sparking, well-known, so that brushless machines are undoubtedly progressive.
  • Es sind Lösungen bekannt, den mechanischen Kommutator durch einen elektronischen zu ersetzen, während die Ausführung der übrigen Gleichstrom-Maschine mit ihren Vorzügen weitgehend erhalten bleibt. There are known solutions to replace the mechanical commutator by an electronic, during the execution of the remaining direct current machine is largely preserved with its benefits. Dabei wechselt die Funktion von Stator und Rotor, weil die elektrischen Verbindungen jetzt statisch vom elektronischen Kommutator zu den Spulen zu verdrahten sind. The function of the stator and the rotor changes, because the electrical connections are to be wired from the now static electronic commutator to the coils. Der elektronische Kommutator muss nun nicht nur die Umschaltvorgänge an sich, sondern insbesondere auch die Synchronität zwischen Drehwinkel und Schaltzuständen realisieren. The electronic commutator must now realize not only the switchover itself, but in particular, the synchronization between the angle of rotation and switching states.
  • So beschreibt die Auslegeschrift So describes the published application DE 2 133 489 B DE 2133489 B eine elektronisch gesteuerte kollektorlose Gleichstrommaschine, bei der eine gerade Anzahl von Halbleiterschaltern an die Stelle mechanischer Bürsten tritt. an electronically controlled brushless DC machine, in which an even number of semiconductor switches takes the place of mechanical brushes. Weil jeder Steg des Kollektors während der Drehung einmal mit der einen und einmal mit der anderen Pol-Bürste Kontakt hat, muss auch der Halbleiterschalter zu beiden Polen schaltbar, also als Halbbrücke ausgeführt sein. Because each web of the collector is in contact during the rotation once with the one and once with the other pole brush, even the semiconductor switch to both poles must be switched be so designed as half-bridge. Ähnlich den Bürsten, die zwei oder mehrere benachbarte Stege immer gleichzeitig kontaktieren, um magnetische Umladevorgänge zwischen den Polen zu unterstützen, werden auch hier wenigstens zwei benachbarte Knotenpunkte der Wicklung gleichzeitig kommutiert. Similar to the brush, the two or more adjacent webs contact always at the same time to support magnetic charge reversal between the poles, two adjacent nodes of the winding commutates here at least at the same time. Die Realisierung eines elektronischen Kommutators als Ersatz eines mechanischen ist insofern aufwändig, als für jeden Steg des ersetzten mechanischen Kommutators ein elektronischer Schalter treten muss, was für hochwertige Gleichstrom-Maschinen eine beachtliche Anzahl ist. The implementation of an electronic commutator to replace a mechanical extent is consuming, as must occur for each bar of the replaced mechanical commutator, an electronic switch, which is a considerable number of high-quality direct-current machines. Wollte man die Anzahl der Kommutierglieder, bestehend jeweils aus einer Wicklungs-Anzapfung, einer Halbbrücke mit zugehöriger Ansteuerung und unter Umständen weiteren Elementen, reduzieren, so führte dies zu größeren Kommutierschritten, verbunden mit Nachteilen, wie stärken Geräuschen, größeren elektromagnetischen Störpegeln, höheren Umladeverlusten und vergröberter Phasenauflösung – letztendlich also zu verschlechterten Betriebsparametern. If one wanted to the number of Kommutierglieder, each consisting of a winding tap, a half-bridge with associated control and may receive additional elements, reduce, this resulted in larger Kommutierschritten, associated with disadvantages such as starches noises larger electromagnetic interference levels, higher Umladeverlusten and coarsened phase resolution - that ultimately deteriorated operating parameters.
  • Eine wichtige Voraussetzung für den effizienten Betrieb einer kommutierten Maschine ist, dass die Kommutierung exakt zur richtigen Zeit, also im optimalen Drehwinkel, erfolgt. An important prerequisite for the efficient operation of commutated machine that the commutation takes place at exactly the right time, that is at the optimum angle of rotation. Das heißt, die Kommutierungsfrequenz muss zur Drehzahl des Rotors synchron und der Phasenwinkel sollte dem in der Maschine herrschenden, belastungsabhängigen, Magnetfeld optimal angepasst sein. That is, the commutation needs to the speed of the rotor synchronous and phase angle should the ruling in the machine, load-dependent, magnetic field to be optimally adjusted. Hierbei ist der Begriff optimal sehr an die jeweilige Zielstellung gebunden. Here, the term is optimal very tied to the respective target position. So kann z. Thus, can. B. in einem Kleinmotor ein geringfügig niedrigerer Wirkungsgrad auf Kosten einer kleineren Geräuschbildung in Kauf genommen werden. B. in a small motor in a slightly lower efficiency are taken at the expense of a smaller noise into account.
  • In bekannten Umrichtern für Synchron-Maschinen wird der Kommutierungszeitpunkt entweder durch zusätzliche Drehwinkelgeber, z. In known inverters for synchronous machines of commutation either by additional rotary encoder such. B. Hall-Sensoren im Magnetfeldbereich des Rotors oder auch über den in der Wicklung induzierten Spannungsverlauf bestimmt. B. Hall sensors in the magnetic field of the rotor or via the induced voltage in the winding course determined. Hier ist zu unterscheiden, ob die Gewinnung des Rotor-Drehwinkels statisch, also auch im Ruhezustand beim Anfahren, oder nur dynamisch bei bereits laufender Maschine erfolgen kann. Here is to distinguish whether the extraction of the rotor rotation angle can be done with already running machine static, so even at rest during startup or dynamically. Während der Startphase der Maschine, also im Ruhezustand und bei sehr kleinen Drehzahlen, erreichen die induzierten Spannungen noch keine auswertbare Größe. During start up the machine, ie at rest and at very low speeds, the induced voltages still achieve any useful size. Um dennoch ein sicheres Anfahren zu gewährleisten, sind mehrstufige Algorithmen bekannt, die mit Hilfe von Mikrocontrollern realisierbar sind und zunächst den Rotor statisch in eine definierte Startposition bringen und anschließend mit einer so kleinen Beschleunigung anfahren, dass bei maximaler Belastung eine Synchronisation sicher erhalten bleibt. Nevertheless, to ensure a safe start-up, multi-stage algorithms are known that can be realized with the help of microcontrollers and initially bring the rotor static in a defined starting position and then start up with such a small acceleration that at maximum load synchronization is reliably maintained. Dies führt aber im Allgemeinen zu einer längeren, durch diskontinuierliche Bewegungen gekennzeichneten, Startphase. However, this generally leads to a longer, marked by discontinuous movements, starting phase.
  • In der Patentschrift In the patent EP 1 798 847 A2 EP 1798847 A2 wird insbesondere eine Lösung zur Synchronisation der Kommutierung mit der Rotorbewegung vorgeschlagen, die einen Phasenreferenz-Generator einsetzt. in particular proposed a solution for synchronizing the commutation with the rotor motion which employs a phase reference generator. Zur Synchronisation dieses Phasenreferenz-Generators sind zwei Drehpositions-Encoder vorgesehen. For synchronization of this phase reference generator two rotary position encoders are provided. Ein erster Encoder dient dabei dem Auffinden einer Nullmarke, bezogen auf die gesamte Drehfeld-Periode. A first encoder serves the discovery of a zero mark, based on the total rotating field period. Hiermit wird der absolute Drehwinkel zugeordnet, indem z. Enter the absolute angle of rotation is allocated by z. B. der Phasenreferenz-Generator zurück gesetzt, bzw. genullt wird. B. is the phase reference generator reset or zeroed. Ein zweiter Encoder ist ein Incremental-Encoder zur Gewinnung der Eingangs-Taktfrequenz. A second encoder is an incremental encoder for the recovery of the input clock frequency. Aus weiteren Ausführungen ist zu schließen, dass typischer Weise ein optischer Drehgeber vorgesehen ist, dessen Kodierscheibe eine Sektorteilung enthält, die der Teilung der Kommutierungsschritte entspricht. For other embodiments, it can be concluded that typically an optical rotary encoder is provided, the encoder includes a sector pitch corresponding to the pitch of the commutation. Somit kann der Phasenreferenz-Generator bei jedem von der drehenden Kodierscheibe gewonnenen Taktimpuls den Phasenindex um Eins weiterschieben. Thus, the phase reference generator can further push the phase index by one for every recovered from the rotating encoder clock pulse. Mit dieser Lösung sind aber einige technische Probleme verbunden. With this solution, but some technical problems are associated. Eine statische Winkelinformation, z. A static angle information z. B. unmittelbar bei Inbetriebnahme der Maschine vor dem Ausführen einer Initialdrehung, kann nicht gewonnen werden – die Maschine muss zunächst anlaufen und zumindest die Nullmarke überschreiten. B. immediately upon starting up the machine before performing an initial rotation, can not be won - the machine must start first and at least exceed the zero mark. Bei bestimmten Ausführungen von Maschinen, z. In certain embodiments of machinery such. B. mit gekapselten Läufern in Pumpen, ist es überhaupt nicht möglich, derartige Encoder am Rotor betreiben zu können. B. encapsulated with rotors in pumps, it is not possible to operate such encoders on the rotor. Nicht zuletzt ist auch der technische Aufwand zur Realisierung eines solchen Encoders und dessen Störanfälligkeit, etwa durch Verschmutzung einer optischen Kodierscheibe, zu bedenken. Not least is also the technical effort for the realization of such encoder and its susceptibility to consider such as pollution of an optical encoder.
  • Die The DE 42 22 949 A1 DE 42 22 949 A1 verwendet einen Phasenregelkreis, der aus dem Signal einer Statorspule ein ganzzahliges Vielfaches deren Grundfrequenz erzeugt, woraus anschließend alle Einzelphasen der Kommutierung gewonnen werden sollen. using a phase locked loop which is an integral multiple of a signal generated from the stator coil with a fundamental frequency, from which subsequently all the individual phases of the commutation to be obtained. Dabei wird grundsätzlich von einer stetigen Last des Motors und somit von einer harmonischen Phasenzuordnung ausgegangen. Here is basically thus assumes a constant load on the engine and a harmonious phase assignment. Derartige Regelkreise benötigen zur Nachregelung, z. Such control loops need to readjust such. B. nach Lastwechseln, bekanntlich mehr als eine Periode im Phasenkomparator, also eine Vielzahl einzelner Phasenperioden. B. according to load changes, is known to more than one period in the phase comparator, that is a plurality of individual phase periods. Bei einem plötzlichen Lastzuwachs kann die beschriebene Lösung nicht rechtzeitig reagieren, weshalb die Zuordnung zwischen Kommutierungswinkel und Rotorwinkel verloren geht. With a sudden load increase, the solution described can not react in time, which is why it lost the association between commutation and rotor angle. Das Drehmoment fällt auf Null zurück – der Motor muss über eine gesonderte Anlaufschaltung neu hochgefahren werden. The torque falls to zero - the engine must be rebooted via a separate start-up circuit. Auch eine statische Winkelinformation, z. A static angle information for. B. unmittelbar bei Inbetriebnahme der Maschine vor dem Ausführen einer Initialdrehung, kann nicht gewonnen werden. Example, immediately at start-up of the machine before executing an initial rotation can not be obtained. Zwar wird die Existenz einer speziellen „Startlogik” angedeutet, deren Beschaffenheit bleibt aber ungeklärt. Although the existence of a special "Home Logic" is indicated, but the nature of which remains unclear.
  • Zur Gewinnung der induzierten Wicklungsspannung gibt die To obtain the induced winding voltage is the DE 198 46 831 A1 DE 198 46 831 A1 eine Methode an, bei der periodisch in der Umgebung des vermuteten Nulldurchgangs eine Stromlücke eingefügt wird, um eine Spannungsanalyse durchzuführen. to a method, a current gap is to perform a stress analysis at the periodically in the vicinity of the presumed zero crossing inserted. Diese Stromlücken, die bei allen bekannten Ausführungen einen erheblichen Teil der Gesamtwicklung – z. This current gaps in all known versions a significant part of the total winding - z. B. 1/3 davon – betreffen müssen, verringern die nutzbaren Stromfluss-Zeiten, verschlechtern also die Wicklungsausnutzung. B. 1/3 of it - must cover, reduce the usable flow of current times, that degrade the winding utilization. Die The DE 103 46 711 A1 DE 103 46 711 A1 schlägt ein Verfahren zum Nachregeln des Kommutierungszeitpunktes vor, bei dem der Stromfluss durch die Wicklung analysiert wird. proposes a method for readjusting the commutation, in which the current flow is analyzed by the winding. Hier wird der Nulldurchgang des Wicklungsstroms als optimaler Kommutierungszeitpunkt betrachtet, was jedoch nicht ausreichend begründet wird und bei komplexer Betrachtung einer belasteten Maschine auch kritisch zu hinterfragen ist. Here, the zero crossing of the winding current is considered optimal commutation, which is not sufficiently justified and should be questioned also critical in complex viewing a loaded machine.
  • Als besonders korrekt und effizient ist die so genannte Field Oriented Control-Methodik (FOC) einzuordnen, die in „Power Electronics and Variable Frequency Drives”, IEEE Computer Society Press, October 1996, von Bimal Bose beschrieben ist. Be particularly accurate and efficient the so-called Field Oriented Control Methodology (FOC) is to be classified, described in "Power Electronics and Variable Frequency Drives", IEEE Computer Society Press, October 1996, Bimal Bose. Grundlage ist das rotierende Rotorfeld als Bezugskoordinatensystem, zu dem die drei Phasenwicklungen mit ihren Strömen vektoriell verglichen und nachgeregelt werden. It is based on the rotating rotor field as a reference coordinate system, to which the three-phase windings with their currents are vectorially compared and adjusted. Hierzu erfolgt zunächst eine Clark-Transformation der Phasenströme in ein rechtwinkliges Phasensystem, wonach dieser über den Rotormagnetflusswinkel in eine D- und eine Q-Komponente umgerechnet wird. To this end, at first a Clark transformation of the phase currents in a rectangular-phase system, after which it is converted via the rotor flux angle in a D and a Q component. Letztere ist als Drehmoment-Transformation über den Gesamt-Regelmechanismus des Motors zu maximieren. The latter is to be maximized as a torque-transformation of the overall control mechanism of the motor. Vorausgesetzt wird hierbei, dass sich die Magnetfelder ebenso vektoriell addieren lassen, wie die speisenden 3-Phasen-Ströme, was in einer technischen Maschine mit ihren Feldverzerrungen nur annähernd zutreffen kann. , It is assumed here that the magnetic fields can be added as well vectorially how the feeding three-phase currents, which can only approximately true in a technical machine with its field distortions. Eine solche Steuerung benötigt einen nicht unerheblichen Aufwand an Controller-Funktionsgruppen und zugehöriger Software, deren Entwicklungsaufwand für jeden speziellen Anwendungsfall nicht zu unterschätzen ist. Such control requires a considerable effort to controller function groups and associated software, the development effort is not to be underestimated for each specific application. So ist ein integrierter Schaltkreis der Firma International Rectifier Corporation (El Segundo, Calif., USA) mit der Typenbezeichnung IRMCF371 bekannt, der als Mixed-Signal-Controller aus einem Mikrocontroller-Kern mit gekoppelter, auf Funktionsgruppen-Ebene programmierbarer, Logik besteht. Thus, an integrated circuit of the International Rectifier Corporation (El Segundo, Calif., USA) is known with the type designation IRMCF371 which exists as mixed-signal controller of a microcontroller core coupled to functional groups level programmable logic. Die The DE 10 2004 050 434 A1 DE 10 2004 050 434 A1 gibt hierfür das Konzept dieser durch Software konfigurierbaren Hardware-Plattform an. this indicates the concept of software-configurable hardware platform.
  • Auch die bereits genannte The aforementioned EP 1 798 847 A2 EP 1798847 A2 schlägt eine ähnliche Lösung für das Nachregeln der Kommutierungsphase vor, wofür die Nulldurchgänge benachbarte Anzapfungen ausgewertet werden. proposes a similar solution for the readjustment of the commutation phase, for which the zero crossings of adjacent taps are evaluated. Gleichzeitig wird aber auch festgestellt, dass wegen der endlichen Anzahl von Segmenten diese Art der Zeitinterpolation des Vektorwinkels zu ungenau ist, weshalb dann doch die Winkelinformation der Drehpositions-Encoder hinzugezogen werden soll. At the same time, but also noted that due to the finite number of segments that kind of time interpolation of the vector angle is too vague, so then but the angle information of the rotation position encoder should be consulted.
  • Zusammenfassend ist festzustellen, dass echte bürstenlose Gleichstrom-Maschinen vom Prinzip her bekannt sind und die von den herkömmlichen Gleichstrom-Maschinen her bekannten prinzipiellen Vorzüge auch aufweisen, ihrer technischen Verwendung aber vor allem noch Hindernisse, wie hoher Herstellungsaufwand und nicht zufrieden stellende Lösungen für die Synchronisation der Kommutierung, entgegenstehen. In summary, it should be noted that real brushless DC motors are known in principle and have known from the conventional DC motors ago principle advantages also, its technical use and above all still obstacles, such as high production costs and no satisfactory solutions for synchronization commutation conflict.
  • Technische Aufgabenstellung Technical Task
  • Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, eine bürstenlose Gleichstrom-Maschine zu entwickeln, die eine energieoptimale Steuerung der Kommutierung auch unter stark schwankenden Lastbedingungen und mit möglichst sparsamen Regelkreisen ermöglicht und einen kleineren Herstellungsaufwand verursacht, als dies bei bekannten technischen Lösungen der Fall ist. The invention addresses the technical problem of developing a brushless DC machine, which enables energy-optimized commutation control under widely varying load conditions and with most economical control circuits and causes a smaller production costs than is the case with known technical solutions. Die Lösung soll auf alle bekannten Grundformen, wie Ring-, Trommel- und Scheibenwicklung, Innen- und Außenläufer, sowie mit Sondermerkmalen, wie z. The solution to all known basic forms, such as ring, drum and disc winding, inner and outer rotors, as well as special features such. B. sphärischem Läufer oder magnetischem Doppelspalt, anwendbar sein. B. spherical runner or magnetic double slit, be applicable.
  • Problemlösung, Beschreibung der Erfindung Problem solution description of the invention
  • Das Problem wird mit der in den Ansprüchen 1, 4, 6 und 7 gekennzeichneten Erfindung gelöst. The problem is solved with the characterized in the claims 1, 4, 6 and 7 the invention. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den weiteren Ansprüchen angegeben. Advantageous embodiments are given in the further claims.
  • Grundlage der Erfindung ist eine elektronisch kommutierte Gleichstrom-Maschine bekannter Ausführung, deren Wicklung mit einheitlichem Wickelsinn fortlaufend als geschlossener elektrischer Kreis ausgebildet ist, und deren Wicklungsstrom über diametral gegenüberliegende Verbindungspunkte, bzw. Knotenpunkte, zwischen den Wicklungselementen, bestehend aus jeweils einer oder mehrerer Windungen, eingespeist wird. Basis of the invention is an electronically commutated DC machine of known design, the winding is formed with a uniform winding direction continuously as a closed electrical circuit, and the winding current on diametrically opposed connection points, or nodes, between the winding elements, each consisting of one or more turns, is fed. Der elektronische Kommutator besteht aus elektronischen Schalterelementen, die synchron zur Drehbewegung einzelne Verbindungspunkte zwischen den Wicklungselementen bipolar mit der Stromversorgung verbinden. The electronic commutator consists of electronic switch elements that connect in synchronism with the rotational movement of individual connection points between the bipolar winding elements to the power supply. Dabei kann das magnetische Feld nicht nur zwei-, sondern auch vier-, sechs- oder höherpolig sein, wofür jedes Wicklungselement auf eine Anzahl von p/2 Teilwicklungen (mit p als Polzahl) aufzuteilen ist, deren Lage sich gleichmäßig über den Durchmesser verteilt. It can be the magnetic field not only two, but also four, six or more poles, for which each coil element is distributed among a number of p / 2 sub-windings (where p is the number of poles), the position of which is distributed uniformly across the diameter. Auch mehrgängige Wicklungen, wie man sie von herkömmlichen Maschinen kennt, sind in das beschriebene Funktionsprinzip problemlos integrierbar. Even more common windings, as known from conventional machines can easily be integrated into the described operating principle. Es ist auch möglich, Wicklungsteile in sinnvoller Weise einander parallel zu schalten. It is also possible to connect the winding parts in a meaningful way parallel to each other. Weiterhin müssen die Einzelwindungen nicht zwangsläufig einlagig und gleichmäßig verteilt ausgeführt sein, sondern können ebenso auch mehrlagig und in traditioneller Weise in Nuten verlegt sein. Furthermore, the individual coils need not necessarily be of single-layer and evenly distributed, but can also be multi-layered and installed in the traditional manner in grooves. Beim Durchgang von Wicklungselementen durch magnetische Polwechselbereiche muss der Strom während der Kommutierung in der vorherigen Richtung ab- und in der entgegengesetzten Richtung aufgebaut werden. During the passage of winding elements by magnetic Polwechselbereiche the current during commutation must off in the previous direction, and are constructed in the opposite direction. Für einen sanften Übergang wird die Betriebsspannung für die Wicklungselemente im Polwechselbereich nicht sofort umgepolt, sondern das betreffende Wicklungselement zunächst kurzgeschlossen, um den Umladeprozess mit Hilfe der sich umkehrenden Gegeninduktion zu ermöglichen. For a smooth transition, the operating voltage for the winding elements in the pole switching is not reversed immediately, but the winding element in question initially shorted to allow the charge exchange process using the reversing counter-induction. Anschließend wird dann der entgegengesetzt gerichtete Strom wieder zugeschaltet. the oppositely directed current is then switched on again subsequently. Durch richtigen Zeitverlauf bei der Kommutierung ist es dabei möglich, trotz der Umschaltvorgänge stets die gleiche Anzahl von Wicklungselementen in den Stromkreis zu schalten und damit die auf die Betriebsspannung zurückkoppelnden Störpegel zu minimieren. Through proper timing during commutation it is thereby possible to always turn despite the switchover the same number of winding elements in the circuit, thereby minimizing the back-coupling to the operating voltage level of interference. Um die Synchronisation zwischen Magnetfeld und Kommutator zu gewährleisten, werden statisch funktionierende, also nicht von der Bewegung abhängige, Positionsgeber, wie Magnetfeld-Sensoren nach dem Hallgeber-Prinzip oder optische Geber mit Sektorscheiben, verwendet. To ensure synchronization between the magnetic field and commutator are statically functioning, thus not dependent on the movement, position sensors, such as magnetic sensors used according to the Hall sensor principle or optical encoder with sector disks. So kann über zwei bipolar wirkende Hall-Sensoren, die mit dem Versatz einer halben magnetischen Polweite, also bis zu 90° zueinander, angeordnet sind, der magnetische Quadrant der Rotorlage ermittelt werden. Thus, the magnetic quadrant of the rotor position may have two bipolar-acting Hall-sensors with each other with the displacement of half a magnetic pole width that is up to 90 °, are arranged to be determined. Mit der Kenntnis des Quadranten ist es bereits möglich, die Maschine suboptimal zu betreiben, zumindest aber einen sicheren und schnellen Anlauf zu gewährleisten. With the knowledge of the quadrant, it is already possible to operate the machine suboptimal, but at least to ensure a secure and fast start-up. Zur weiteren Vereinzelung der Kommutierungswinkel ist es vorgesehen, einen Generator mit Phasenregelkreis (PLL – Phase Locked Loop) bekannter Ausführung einzusetzen, der einen Grundtakt zum Weiterschalten von einer Kommutierungsphase zur nächstfolgenden erzeugt. For further separation of the commutation, it is provided with a generator phase locked loop (PLL - Phase Locked Loop) to employ a known design, which generates a basic clock to change from a commutation phase to the next. Dessen nominale Taktfrequenz berechnet sich aus der Motordrehzahl, multipliziert um die Anzahl von Einzelphasen pro Umdrehung. Its nominal clock frequency is calculated from the engine speed, multiplied by the number of individual phases per revolution. Zur Synchronisierung mit dem Drehwinkel des Rotors wird dessen Takt mit dem periodischen Signal der Positionsgeber phasenrichtig verglichen und nachgeregelt, nachdem eine Frequenzanpassung im richtigen Verhältnis erfolgte. To synchronize with the rotation angle of the rotor whose clock is compared with the periodic signal of the position sensor in phase and readjusted after a frequency adjustment in the right proportions took place. Eine solche PLL-Funktion kann auch sehr einfach in einen Mikrocontroller durch zweckentsprechende Timerprogrammierung implementiert werden. Such PLL function can also be implemented in a microcontroller by appropriate timer programming very simple.
  • Um bei plötzlichen Drehzahländerungen, z. In order to sudden changes in speed, z. B. nach Lastanstiegen, die Kommutierung sofort nachführen zu können ist es vorgesehen, alle Positionsgeber auch bei erreichter Betriebsdrehzahl ständig weiter auszuwerten und bei Überschreitung einer kritischen Abweichung zwischen Rotations- und Kommutierungswinkel sofort als Vorrangfunktion zum Überschreiben der aktuellen Kommutierungsphase zu nutzen. As the load increases, to be able to track the commutation of now, there is provided continuously evaluate all position sensor even when reached operating speed and use when exceeding a critical deviation between rotational and commutation immediately as a priority function to overwrite the current commutation.
  • Die bis hierher beschriebenen Lösungsdetails dienen der festen Zuweisung der Kommutierungswinkel zu den Rotationswinkeln. The solution details described so far are used for fixed allocation of the commutation angle to the rotational angles. Um auch lastabhängige Phasenwinkelkorrekturen vornehmen zu können ist es vorgesehen, querliegend zum Betriebsstrom durch die Wicklung eine Brückenspannung abzugreifen, die somit von der Betriebsspannung weitgehend entkoppelt ist. In order to also load-dependent phase angle make corrections, it is provided transversely tap off a bridge voltage to drive current through the coil, which is thus largely decoupled from the operating voltage. Dies ist vorteilhaft mit Analogmultiplexern möglich, die synchron zur Kommutierung adressiert werden. This is advantageously possible with analog multiplexers, which are addressed in synchronism with the commutation. Da beide vom Betriebsstrom verursachten Teilströme der gleichartigen Wicklungshälften gleich groß sein müssen, ergibt sich für jeden Teilabschnitt mit gleichem Abstand zum Einspeise-Knotenpunkt ein Brücken-Null der Spannungsdifferenzen. Since both partial streams of the like winding halves caused by the operating current must be equal, the result for each section with the same distance from the feed-in point, a node-bridge zero of the voltage differences. Treten solche Spannungsdifferenzen dennoch auf, so müssen sie in den Teilwicklungen induziert worden sein. If such voltage differences on yet, so they must have been induced in the part windings. Gemäß dem erläuterten Grundprinzip findet aber im Idealfall jedes Wicklungselement einer Wicklungshälfte gleiche Magnetfeldbedingungen vor und induziert somit die gleiche Gegenspannung entlang des Stromkreises. According to the above basic principle but each winding element is in the ideal case of a winding half same magnetic field conditions and thus induces the same counter voltage along the circuit. Selbst unter der allgemein zutreffenden Annahme, dass an den Rändern der Magnetfeld-Segmente eine kleinere Feldstärke wirkt als in der Mitte, sollten sich diese Erscheinungen am Beginn und am Ende jedes Segments gegenseitig aufheben. Even under the generally applicable assumption that at the edges of the magnetic segments a smaller field strength acts as the center, these phenomena should cancel each other out at the beginning and end of each segment. Sofern also Brückenspannungen auftreten, ist deren Polarität und Amplitude eine direkte Information über den Fehler des Kommutierungszeitpunktes. So long as the bridge voltages occur, their polarity and amplitude is a direct information about the failure of the commutation. Bemerkenswert ist, dass diese Information stets die Überlagerungen des Betriebs-Magnetfeldes durch Belastungen der Maschine mit einbezieht und im Vergleich zu bekannten Bewertungskriterien äußerst robust ist. It is noteworthy that this information always overlays the operating magnetic field is involving and compared to known criteria extremely robust due to stresses on the machine. Der zeitliche Verlauf der Brückenspannung enthält also alle Informationen, die für eine korrekte Frequenz- und Phasensynchronisation des Kommutators gegenüber der Bewegung des Rotors erforderlich sind. So the time profile of the bridge voltage contains all the information required for a correct frequency and phase synchronization of the commutator to the movement of the rotor. Bewegen sich beide asynchron, so kommt es zu einer Grundfrequenz der Brückenspannung als Schwebungsprodukt der beiden Einzelfrequenzen. both move asynchronously, so there is a fundamental frequency in the bridge voltage as a beat product of the two individual frequencies. Phasenfehler bei sonst synchroner Bewegung äußern sich hingegen als Brücken-Gleichspannung. Phase error in otherwise synchronous movement express themselves, however, as a bridge DC. Bei komplexer Auswertung der Brückenspannung könnte also auf weitere Positionsgeber verzichtet werden. For more complex analysis of the bridge voltage could therefore be dispensed more position sensors. Besonders für einen schnellen und zuverlässigen Anlauf kann es aber vorteilhaft sein, solche zusätzlich vorzusehen. but especially for a fast and reliable start-up it can be advantageous to additionally provide such. In diesem Fall genügt es, die Brückenspannung zu gewinnen und über einen PI-Regler direkt als Phasenverschiebung zu den Kommutierwinkeln vorzeichenrichtig zu addieren. In this case, it is enough to win the bridge voltage and adding a PI controller directly with the correct sign as a phase shift to the Kommutierwinkeln. Weitere komplizierte Auswertealgorithmen zur Lastnachführung können damit ganz entfallen. More complex evaluation algorithms Lastnachführung can therefore be dispensed with entirely. Vom zur Steuerung einzusetzenden Controller werden damit viel geringere Ressourcen abverlangt, als bei bekannten Lösungen. From employed to control controller so much fewer resources are demanded, as in known solutions.
  • Für eine bestmögliche Maschinenausnutzung ist der Drehwinkelanteil der Übergangsbereiche unter den Polübergängen zu minimieren, was zu einer großen Anzahl zu kommutierender Knotenpunkte führt. For optimum machine utilization of the rotation angle component of the transition areas under the pole transitions is to be minimized, resulting in a large number of commuting to nodes. Hieraus ergeben sich vergleichsweise kleine Schritte für die Kommutierungswinkel, die mit entsprechend kleiner Winkelauflösung anzusteuern sind. This results in comparatively small steps for the commutation, to be driven with a correspondingly smaller angular resolution. Mit den bekannten Lösungen wäre für die große Anzahl von Kommutierungswinkeln also ein großer technischer Aufwand zu treiben, der sich nicht nur auf die Anzahl von elektronischen Schalterelementen und deren Ansteuerung, sondern auch auf den erheblichen Verdrahtungsaufwand und die Anzahl von Wicklungsanschlüssen bezieht. So with the known solutions, a large technical effort would drive for the large number of commutation angles, which refers not only to the number of electronic switch elements and their control, but also to the considerable wiring and the number of winding terminals. Um diesen Aufwand bei der technischen Realisierung entscheidend zu senken, wird anstelle einer geraden Anzahl von Wicklungselementen eine ungerade Anzahl eingeführt. To reduce this effort with the technical realization decisive instead of an even number of winding elements is an odd number is introduced. Hierdurch wird die Kommutierung nicht mehr gleichzeitig an beiden Polen umgeschaltet, sondern wechselweise in zeitlicher Folge. Thereby, the commutation is not switched simultaneously at both poles, but alternately in time sequence. Bei der bekannten geraden Anzahl von Wicklungselementen würde das zwangsläufig zu einer periodischen Störung der elektrischen Symmetrie beider Wicklungshälften führen. In the known even number of winding elements which would inevitably lead to a periodic disturbance of the electrical symmetry of both winding halves. Wird hingegen eine ungerade Anzahl von Wicklungssegmenten wechselweise mit einer geraden und einer ungeraden Zahl von Anzapfungspunkten der beiden Pole kommutiert, so ergeben sich stets zwei gleichgroße Wicklungshälften, die gleichzeitig vom Betriebsstrom durchflossen werden und an der Kraftwirkung beteiligt sind. However, if an odd number of winding segments commutated alternately with an even and an odd number of tapping points of the two poles, so always results in two equal coil halves which simultaneously traversed by the operating current, and are involved in the action of force. Durch diese Maßnahme reduziert sich die Anzahl erforderlicher Knotenpunkte mit Schalt- und Ansteuerelementen gegenüber der Anzahl von Ansteuerphasen auf die Hälfte. By this measure, the number of required nodes reduced switching and control elements in relation to the number of drive phases of the half. Weil aber nur die Anzahl der Ansteuerphasen maßgeblich über wesentliche Qualitätsmerkmale wie Maschinenausnutzung, Gleichlauf und maximales Drehmoment entscheidet, wird hierdurch eine deutliche Aufwandssenkung erreicht. But because only the number of drive phases significantly decides on key quality characteristics such as machine utilization, speed stability and maximum torque, thus a significant cost reduction is achieved.
  • Anhand der Detaillösungen eines prinzipiellen Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der beiliegenden Zeichnungen soll die Erfindung nachstehend erläutert werden. On the basis of detailed solutions of a schematic exemplary embodiment with reference to the accompanying drawings, the invention will be explained below. Hierzu wurde bewusst ein leicht zu überschauendes Funktionsmodell ausgewählt, das aber auch technisch realisierbar ist. To this end, an easy to over-looking function model was chosen deliberately, which is also technically feasible. Gegenstand der Erfindung ist aber eine grundlegende Lehre, die mit dem angegebenen Ausführungsbeispiel nur im Wesentlichen erläutert werden soll. However, the invention is a fundamental teaching, which will be explained with the specified embodiment, only substantially. Der Erfindungsgegenstand ist hingegen vorteilhaft auch auf alle weiteren bekannten konstruktiven Grundformen von elektrischen Maschinen mit Ring-, Trommel- und Scheibenwicklung, Innen- und Außenläufer, sowie mit Sondermerkmalen, wie z. however, the subject invention is also advantageous to all other known constructive basic forms of electrical machinery with ring, drum and disc winding, inner and outer rotors, as well as special features such. B. (halb-)sphärischer Ausbildung des Läufers oder der Verwendung eines magnetischen Doppelspalts zum Zwecke einer besseren Ausnutzung der Wicklungslängen, anwendbar. B. (semi) spherical configuration of the rotor or the use of a magnetic double slit for a better utilization of the winding lengths applicable. Auch kann es sich beispielsweise als vorteilhaft erweisen, den magnetischen Rückschluss mit dem permanentmagnetischen Rotor zu verbinden, so dass sich beide gemeinsam drehen, um die Wirbelstromverluste zu senken. Also, there may for example be advantageous to connect the magnetic yoke with the permanent magnet rotor, so that both rotate together in order to reduce the eddy current losses. Da eine umfassende Darstellung aller denkbaren Ausführungsvarianten nicht möglich ist, eine solche sich dem Fachmann aber auf nahe liegende Art und Weise erschließt, soll an dieser Stelle auf die Anwendbarkeit der hier vermittelten Lehre, bezogen auf alle bekannten konstruktiven Grundformen, ausdrücklich verwiesen werden. Since a comprehensive presentation of all conceivable variants is not possible, such, however, appreciated by those skilled in an obvious way to at this point to the applicability of the teachings herein, based on all known constructive basic forms, contain an express reference.
  • Es zeigen: Show it:
  • 1 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Maschine; a schematic representation of a machine according to the invention;
  • 2 2 ein Verdrahtungsschema einer solchen Maschine in der Ausführung mit 9 Wicklungselementen; a wiring diagram of such a machine of the type comprising winding elements 9;
  • 3 3 das gleiche Verdrahtungsschema in axialer Abwicklung über den Umfang; the same wiring scheme in the axial processing over the circumference;
  • 4 4 ein einzelnes Schalterelemente-Segment für den Anschluss an Knotenpunkte des Verdrahtungsschemas nach a single switch element segment for connection to nodes of the wiring scheme of 2 2 und and 3 3 ; ;
  • 5 5 den zeitlichen Ablauf der Kommutierung bei der Drehbewegung in einer Richtung; the timing of the commutation during the rotational movement in one direction;
  • 6 6 ein Demonstrationsmodell mit zwei Hall-Sensoren und dem Abgriff einer Brückenspannung für die Gewinnung der Phasenfehler; a demonstration model with two Hall sensors and the tap of a bridge voltage for obtaining the phase error;
  • 7 7 einen Programmablauf zur zeitrichtigen Gewinnung der Kommutierungswinkel aus den Signalen der Hall-Sensoren; a program flow for the time-correct recovery of the commutation from the signals of the Hall sensors;
  • 8 8th den zeitlichen Zusammenhang zwischen den Signalen der Hall-Sensoren und den Kommutierungswinkeln; the temporal relationship between the signals of the Hall sensors and the commutation angles;
  • 9 9 den Gesamt-Stromlaufplan des Ausführungsbeispiels. the overall circuit diagram of the embodiment. Gleiche Positionszahlen bezeichnen auch in verschiedenen Zeichnungen gleiche Elemente. Same position numbers refer to like elements even in different drawings.
  • Zur Beschreibung des funktionell-konstruktiven Grundprinzips besteht eine elektrische Maschine gemäß For a description of the functional and constructive basic principle is an electrical machine in accordance with 1 1 aus einem drehbar gelagerten zylindrischen permanentmagnetischen Rotor of a rotatably mounted cylindrical permanent magnet rotor 1 1 und einem um diesen herum ringförmig angeordneten weichmagnetischen Rückschluss and a therearound arranged annularly soft magnetic yoke 2 2 . , Der Rotor enthält an seiner Außenwand zwei rotationssymmetrisch angeordnete, radial komplementär zueinander magnetisierte Magnetpole The rotor includes on its outer wall two rotationally symmetrically arranged, radially magnetized magnetic poles complementary to one another 3a 3a , . 3b 3b , so dass im zylindrischen Luftspalt So that in the cylindrical air gap 4 4 zwischen beiden ein radial ausgerichtetes magnetisches Feld erzeugt wird, das aus zwei Hälften gegensätzlicher Orientierung mit möglichst kleinen Übergangsbereichen zwischen einander besteht. a radially directed magnetic field is generated between the two, the opposite orientation of two halves with the smallest possible transition regions existing between each other. Wird nun axial durch den Luftspalt ein mit Strom durchflossener elektrischer Leiter, ein so genannter Stab Is now axially through the air gap a current-carrying with electrical conductors, a so-called rod 5 5 , geführt, so bildet sich in bekannter Weise eine elektromotorische Kraft F als Produkt aus Stromfluss und magnetischer Feldstärke heraus, die somit tangential zum Radius als Drehmoment wirkt. Guided, so an electromotive force F is the product of current flow and magnetic field strength is formed out in a known manner, which thus acts tangentially to the radius as torque. Nun werden entlang des Luftspalts viele derartiger Stäbe parallel nebeneinander angeordnet und am magnetischen Rückschluss befestigt, so dass sich deren einzelne, jeweils gleich großen, Drehmomente addieren, solange Feld- und Stromrichtung unverändert bleiben. Now, many of such rods are arranged parallel to each other along the air gap and fixed to the magnetic yoke, so that their individual, each the same size, add torques as long field and current direction will remain unchanged. Wechselt die Feldrichtung für einzelne Stäbe, so muss deren Stromrichtung umgekehrt werden, damit das Drehmoment weiterhin in gleicher Richtung wirkt. Changes the field direction for individual bars, so the flow direction must be reversed, so that the torque acts in the same direction continue. 1 1 zeigt die für die dargestellte Situation richtig zugeordneten Stromrichtungen in der allgemein gebräuchlichen frontalen Darstellungsweise für Vektoren. shows the correctly assigned for the situation illustrated current directions in the commonly used frontal representation of vectors. Abgesehen von dem Übergangsbereich Apart from the transition region 6 6 zwischen beiden Feldrichtungen, der klein gegenüber dem sonstigen Umfangsbereich sein soll, wirken also alle Stäbe mit gleichem Anteil auf das Gesamt-Drehmoment. between the two field directions, which should be compared to the other peripheral portion small, so all work bars having the same proportion to the total torque. Hierdurch wird eine gute Ausnutzung des magnetischen Feldes in seiner gesamten Ausdehnung entlang des Rotorumfangs und eine gleichmäßige Verteilung auf den magnetischen Rückschluss erreicht. This results in a good utilization of the magnetic field in its entire extension along the rotor circumference and a uniform distribution is achieved in the magnetic yoke.
  • Wie aus as from 1 1 zu ersehen ist, kann jedem Stab mit der einen Stromrichtung genau ein Stab mit der entgegengesetzten Stromrichtung zugeordnet, also mit diesem zu einer umlaufenden Windung verbunden, werden. As can be seen, each rod having one flow direction may be assigned exactly one rod with the opposite current direction, that is connected thereto to an orbiting wrap, are. Die diametrale Symmetrie bezogen auf die Drehbewegung legt es dabei nahe, jeweils einander gegenüber liegende Stäbe zu einer so genannten Durchmesserwindung zu verbinden. The diametric symmetry with respect to the rotary motion it shall thereby close, respectively to connect opposing rods to a so-called By measuring Erwin extension. Damit alle Windungen vom gleichen Strom durchflossen werden, sind diese einfach mit gleichem Wicklungssinn in Reihe geschaltet. To ensure that all windings are crossed by the same current, they are simply connected with the same sense of winding in series. Ein Wicklungselement muss dabei nicht zwangsläufig genau eine technische Windung enthalten, sondern kann auch aus mehreren solcher Windungen bestehen, die parallel nebeneinander oder in einem Bündel liegen können. A winding element has to contain not necessarily just a technical turn, but may also consist of a plurality of such coils, which can lie side by side or in a bundle in parallel. Dreht sich nun der Rotor aus der angegebenen Position heraus, so kehrt sich für einzelne Stäbe nacheinander die Richtung des magnetischen Feldes um. Now the rotor from the specified position turns out to be so reversed for individual rods in succession the direction of the magnetic field around. Damit die gleiche Wirkrichtung dieser Stäbe dennoch beibehalten wird, muss sich deren Stromrichtung ebenfalls umkehren. So that the same direction of action of these bars will still maintain, their current direction must also be reversed. Bei weiterer Entwicklung ergibt sich als zweckmäßigste Lösung ein Verdrahtungsschema nach In another development, a wiring scheme can be seen by the most appropriate solution 2 2 . , Hier besteht jede Windung beginnend an einem Knotenpunkt Here, each turn is starting at a node 21 21 aus einem aufsteigendem Stab from a rod ascending 22 22 , einer oberen Verbindung , An upper link 23 23 , einem abfallendem Stab , A sloping bar 24 24 und einer unteren Verbindung and a lower connection 25 25 , bevor der nächste Knotenpunkt erreicht wird. Before the next node is reached. 3 3 zeigt diesen Sachverhalt als axiale Abwicklung mit gleichen Positionsnummern. shows this situation as axial development with the same item numbers. Alle Windungen sind zu einem geschlossenen Kreis mit einheitlichem Wicklungssinn verbunden. All coils are connected to a closed circuit with a uniform winding sense. Warum hier eine ungerade Zahl von Windungen gezeichnet wurde, wird später noch erläutert werden. Why an odd number was drawn by turns here will be explained later. Erfolgt nun in den now takes place in the 2 2 , . 3 3 die Stromeinspeisung I entlang diametral gegenüberliegender Verbindungspunkte, z. the current injection I along diametrically opposed connection points, eg. B. über die Punkte (1), (2), (3), (4), (5), bzw. (1), (9), (8), (7), (6), so werden die entstehenden Wicklungshälften mit einander entgegengesetzter Richtung durchlaufen, wodurch genau die erforderlichen Stromrichtungen entstehen. B. about the points (1), (2), (3), (4), (5), and (1), (9), (8), (7), (6), then the resulting winding halves with through opposite direction each other, thereby creating precisely the required current directions. Dreht sich nun der Rotor weiter, so genügt es, im gleichen Drehsinn die einander gegenüber liegenden Einspeisepunkte für den Strom weiter zu schalten, also z. Now the rotor continues to rotate, it is sufficient to turn in the same direction, the opposite feed points for the power on, so z. B. von (1) nach (2), von (5) nach (6) usw. B. (1) to (2), (5) to (6), etc.
  • Diese Aufgabe übernimmt ein elektronischer Kommutator, der aus Schalterelemente-Segmenten gemäß This task is performed by an electronic commutator, the switch elements from segments according to 4 4 besteht, die für jeden der in is that for each of the in 2 2 , . 3 3 bezeichneten Knotenpunkte i = (1) ... (9) vorgesehen sind. designated nodes are provided = (9) i (1) .... Im vorliegenden Beispiel werden also 9 solcher Schalterelemente benötigt. In the present example, nine of such switching elements are needed. Hier sind ein p-Kanal-MOSFET Here are a p-channel MOSFET 31 31 und ein n-Kanal-MOSFET and an n-channel MOSFET 32 32 in Reihe zwischen die positive in series between the positive 33 33 und die negative and the negative 34 34 Betriebsspannungsschiene geschaltet. Operating voltage rail connected. Die Eingänge the inputs 35 35 , . 36 36 werden unabhängig voneinander angesteuert, wobei der Eingang (iH) low-aktiv und der Eingang (iL) high-aktiv ist. be controlled independently from each other, wherein the input (IH) active low and the input (IL) is high-active. Der Ausgang The exit 37 37 ist mit dem jeweiligen Knotenpunkt verbunden. is connected to the respective node.
  • Beim Übergang der Stäbe von einer magnetischen Feldrichtung in die andere kann sich die Stromrichtung nicht augenblicklich ändern, sondern muss Gelegenheit für einen an die Geschwindigkeit des Feldwechsels angepassten Übergang erhalten. During the transition of the bars of a magnetic field direction to the other, the current direction can not change instantaneously, but received has opportunity for an adapted to the speed of the pitch change transition. Hierzu ist es zweckmäßig, den jeweiligen Wicklungsteil unmittelbar im Anschluss an den Stromfluss zunächst kurz zu schließen, damit sich der Strom zunächst abbauen und anschließend, verursacht durch die Induktion mit neuer Feldrichtung, in entgegengesetzter Richtung wieder aufbauen kann, bevor dann dieser Wicklungsteil wieder in den Strompfad der Maschine eingeschaltet wird. For this purpose, it is expedient to connect the second winding part immediately after the current flow first briefly so that the current break down first and then caused by the induction of new field direction, in the opposite direction can build up again before then this winding part again in the current path of the machine is turned on. In In 2 2 ist dafür gerade ein Kurzschluss zwischen den Knotenpunkten (5) und (6) zu sehen. is this just a short-circuit between nodes (5) and (6) to see. In der nächsten Phase sind dann die gegenüber liegenden Knotenpunkte (1) und (2) kurz geschlossen, danach wieder (6) und (7) usw. An dieser Stelle wird deutlich, warum im Beispiel eine ungerade Zahl von Wicklungselementen gewählt wurde. in the next phase, then the opposing nodes (1) and (2) short-circuited, then again (6) and (7), etc. At this point it becomes clear why an odd number of winding elements has been chosen in the example. Hierdurch erreicht der Anteil der umzuschaltenden Windungen zur Gesamtwindungszahl nur (1/i). In this way reaches the portion of the windings to be switched to the total number of turns only (1 / i). Je kleiner der Anteil umzuschaltender Wicklungsteile ist, desto kleiner ist auch die Rückwirkung auf das Magnetfeld in der Maschine. The smaller the proportion of re-switching winding portions, the smaller the effect on the magnetic field in the machine. Bei einer geraden Anzahl von Wicklungselementen wäre dieser mit (2/i) doppelt so groß. With an even number of winding elements of this would be using (2 / i) twice as large. Außerdem verdoppelt sich bei ungerader Zahl die Frequenz der Umschaltvorgänge, wodurch ein ruhigerer, störungsärmerer Lauf erzielt wird. Moreover, the frequency of switching operations doubled for odd numbers, creating a smoother, trouble poorer running is achieved. In jedem Fall ist die Kurzschlusszeit an die Breite des Polwechsels anzugleichen. In any case, the short-circuit time is to be adapted to the width of the pole change. So kann es beispielsweise auch sinnvoll sein, im Wechsel auf einer Seite zwei, auf der gegenüber liegenden Seite aber drei Segmente kurzzuschließen. So for example, may also be useful in alternation on one side two, on the opposite side but short the three segments.
  • Es zeigt sich, dass ein elektronischer Kommutator nicht einfach nur den mechanischen ersetzen kann, sondern wegen seiner präzisen und komplexen Steuerbarkeit eine Vielzahl weiterer Funktionen ermöglicht. It turns out that an electronic commutator simply can not only replace the mechanical, but because of his precise and complex controllability allows a variety of other functions.
  • 5 5 zeigt den zeitlichen Verlauf für das besprochene Beispiel. shows the time course for the example discussed. In der oberen Hälfte sind die Steuerspannungen für die positive Schienenspannung (low-aktiv), in der unteren Hälfte jene für die negative Schienenspannung, bzw. des Bezugspotenzials, (high-aktiv) dargestellt. In the upper half are the control voltages for the positive rail voltage (low active) shown in the lower half of those for the negative rail voltage, and the reference potential (active-high). Die 18 verschiedenen Phasen wurden hier willkürlich mit a, b, ..., r. The 18 different stages were arbitrarily here with a, b, ..., r. bezeichnet. designated. Der in in 2 2 gezeichnete Zustand entspricht also der Phase a. So drawn state corresponding to the phase a. In der anschließenden Phase b wird nun gemeinsam mit dem Knotenpunkt (1) auch Knotenpunkt (2) zur positiven Betriebsspannung verbunden, während Knotenpunkt (5) von der negativen Betriebsspannung getrennt wird, so dass nur noch Knotenpunkt (6) mit dieser verbunden bleibt, und so weiter. In the subsequent phase b now in common to the node (1) is also connected to node (2) to the positive operating voltage, while node (5) is separated from the negative operating voltage, so that only node (6) remains connected to the latter, and so on. Wie man sieht, sind zu jedem Zeitpunkt genau (i – 1)/2 Wicklungselemente in Reihe und als Gruppe parallel zueinander am Stromfluss beteiligt, so dass dieser recht konstant ohne größere Schwankungen verläuft. As can be seen, are accurate at each time point (i - 1) / 2 coil elements in series and in parallel as a group involved in the current flow to one another, so that it runs quite constant without significant fluctuations.
  • 6 6 zeigt schematisch die Gewinnung des Winkelpositions-Signals für die frequenz- und phasenrichtige Kommutierung. schematically shows the recovery of the angular position signal for the frequency and phase proper commutation. Der Permanentmagnet-Rotor The permanent magnet rotor 1 1 drehe sich mit Nenndrehzahl n. Hierbei wird in der fortlaufenden Statorwicklung revolves at rated speed n. Here, in the consecutive stator 40 40 ein Drehfeld erzeugt, das mit gleicher Drehzahl n rotiert. generate a rotating field which rotates at the same rotational speed n. Dies erfordert, dass auch der elektronische Kommutator mit dieser „Drehzahl” weiter schaltet. This requires that the electronic commutator with this "speed" further on. Zur besseren Anschauung stelle man sich vor, die Wicklung werde außen am Umfang mit mechanischen Bürsten For a better view, imagine that winding will outside the circumference with mechanical brushes 42 42 , . 42' 42 ' kommutiert, die den Betriebsstrom I diametral hindurch leiten. commutates diametrically through direct the operation current I. Diese Bürsten müssten über einen Ring These brushes would have a ring 41 41 mechanisch miteinander verbunden sein und sich synchron mit dem Rotor drehen, um ständig ein gleich wirkendes Drehmoment aufrecht zu erhalten. be mechanically connected to one another and rotating synchronously with the rotor in order to constantly obtain a uniform torque acting upright. Diese Funktion der Bürsten und des Rings übernimmt in Wirklichkeit die elektronische Kommutierung mit der Synchronisierung. This function of the brush and the ring does in reality the electronic commutation synchronization.
  • Um eine Synchronisation herbeiführen zu können, werden im gezeigten Beispiel zunächst zwei Hall-Sensoren In order to bring about synchronization, are shown in the example first two Hall sensors 44 44 , . 44' 44 ' so im Winkel zueinander angeordnet, dass zu jeder Zeit die Rotorstellung als Quadrantenzuordnung ableitbar ist. arranged to each other at an angle, that at any time, the rotor position can be derived as a quadrant assignment. Im Falle dieser Zweipol-Maschine sind dies also 90°. In the case of two-pole machine, these are thus 90 °. Für einen sicheren Anlauf genügt es nun zunächst, die Bürsten in Abhängigkeit vom Signal der Hallsensoren ebenfalls mit einem Winkelschritt von (etwa) 90° zu kommutieren. Now for a secure start-up it also suffices firstly the brushes in response to the signal of the Hall sensors with an angle step of (about) to commutate 90 °.
  • Um nun die gemäß In order pursuant 5 5 vorgesehenen 18 Kommutierungs-Phasen zur richtigen Zeit zu erzeugen, werden die Quadranten-Informationen weiter verarbeitet. to produce intended 18 commutating phase at the right time, the quadrant information will be processed further. 7 7 zeigt einen möglichen Programmablauf zur Gewinnung der Kommutierungswinkel gemäß Ausführungsbeispiel. shows a possible program sequence for obtaining the commutation angle according to the embodiment. Das Fragment a) eines Hintergrundprogramms wird mit einem Zähltakt, dessen Frequenz ein Vielfaches der höchsten Übergangsfrequenz der Einzelphasen beträgt, periodisch gestartet. The fragment of a) a background program is started periodically with a count clock whose frequency is a multiple of the highest transition frequency of the individual phases. Die Periodendauer dieses Zähltakts bestimmt auch den von der Zeitdiskretisierung verursachten Restfehler der Kommutierung-Zeiten. The period of this count clock also determines the residual error of commutation times caused by the time discretization. Bei jedem Aufruf wird ein Quadranten-Zähler z 1 inkrementiert und ein Phasen-Zähler z 2 dekrementiert. With each call a quadrant counter is incremented and decremented z 1 a phase counter for the second Falls letzterer Null erreicht, wird die Kommutierungs-Phase weiter geschaltet und der Phasenzähler mit seinem Anfangswert neu geladen. If the latter reaches zero, the commutation phase is advanced and reloaded the phase counter with its initial value. Wurde seit dem letzten Aufruf ein Quadranten-Übergang erkannt, so wird die zugehörige Phase direkt auf den zugehörigen Wert gesetzt. a quadrant transition has been detected since the last call, the corresponding phase is set directly on its value. Ist der Quadranten-Übergang gleichzeitig ein Phasenübergang, so wird auch der Phasen-Zähler neu geladen. If the quadrant transition at the same time, a phase transition, including the phase counter is reloaded. Bei jedem Phasenübergang eines der beiden Hall-Sensoren, also nach jeweils 90°, wird das Unterprogramm b) aufgerufen. At each phase transition of one of the two Hall sensors, that is every 90 °, the subroutine b) is called. Aus einem Zähler z 1 wird die zurückliegende Zeit seit dem letzten Phasenübergang als Quadranten-Periode q bestimmt und der Zähler zurückgesetzt. Of a counter 1 for the time already elapsed since the last phase transition as a quadrant period q is determined, and the counter is reset. Hieraus errechnet sich die Phasendauer p als Zähler-Anfangswert für z 2 . From this, the phase duration p calculated as a counter initial value for z. 2 Weil im Beispiel ein Quadrant aus 4,5 Einzelphasen besteht, erfolgt hier eine Division mit diesem Quotienten. Because in the example is a quadrant of 4.5 single-phase, takes place here a division with this quotient. Um diesen Ablauf besonders für Beschleunigungs- und Abbremsphasen noch weiter zu verbessern, kann aus der Analyse der aufeinander folgenden Quadranten-Perioden zusätzlich eine der Beschleunigung äquivalente Größe ermittelt und so als Vorhersage mit eingerechnet werden, dass der daraus errechnete Korrekturwert bei konstanter Drehzahl gegen Null konvergiert. In order to improve this process particularly for acceleration and deceleration even further, one of the acceleration can be determined equivalent size and so included as a prediction with addition from the analysis of the successive quadrant-periods, that the calculated therefrom correction value converges at a constant speed to zero , Es ist zu erkennen, dass hier eine typische PLL-Funktion mit programmtechnischen Mitteln nachgebildet wird: In b) wird die Taktfrequenz ständig nachgeregelt, während in a) die eigentliche Takterzeugung stattfindet. It can be seen that here a typical PLL function with software means is simulated: In b), the clock frequency is continuously adjusted while in a) takes place, the actual clock generation. Bemerkenswert an diesem Programmbeispiel ist, dass die Quadrantenübergänge, die bei jeder Drehzahl wie auch bei Stillstand sicher bestimmt werden können, eine Vorrangfunktion erhalten, so dass in jedem denkbaren Betriebszustand stets zumindest die Quadrantenzugehörigkeit gewährleistet bleibt. It is noteworthy in this program example that the quadrant transitions that can be determined with certainty as well as at standstill at any speed, obtain a priority function, so that always remains ensured in all conceivable operating condition of at least the quadrant belonging. So ist im ungünstigsten Fall ein ungleichmäßiger Lauf, jedoch niemals ein Abriss der Bewegung möglich. Thus, an outline of the movement is in the worst case, an uneven run, but never possible.
  • In In 8 8th wird der Phasenzusammenhang zu den Signalen der Hall-Sensoren verdeutlicht. the phase relationship is made clear to the signals of the Hall sensors. Dargestellt ist eine konstante Drehzahl mit einem anfänglich zu großen Wert für die Phasendauer. Shown is a constant speed with a initially too large a value for the phase duration. Beim Übergang vom Quadranten I nach II erfolgt gemäß At the transition from quadrant I to II is carried out according 7 7 eine Neuberechnung der Periodendauer p und die Synchronisation der Einzelphasen, die einen sofortigen Übergang von Phase c auf e bewirkt. a recalculation of the period p and the synchronization of the individual phases, which causes an immediate transition from phase c to e. Im Ergebnis werden also die Phasenpositionen a ... r gemäß As a result, that is, the phase positions are a ... r according to 5 5 bezüglich der geometrischen Anordnung korrekt bestimmt. with respect to the geometrical arrangement correctly determined.
  • Um den Phasenwinkel so zu optimieren, dass auch last- und drehzahlabhängige Polverschiebungen berücksichtigt werden, wird gemäß In order to optimize the phase angle so that even load and speed-dependent polar shifts are taken into account, according to 6 6 rechtwinklig zum Betriebsstrompfad über die Bürsten perpendicular to the operating current path through the brushes 43 43 , . 43' 43 ' , die ebenfalls am Ring Who also am Ring 41 41 befestigt seien und so mit den Bürsten are fixed and so with the brushes 42 42 , . 42' 42 ' synchron laufen, ein Fehlersignal als Differenzspannung run synchronously, an error signal as a difference voltage 45 45 gewonnen und ausgewertet. obtained and evaluated. Für die zeitlich richtige Zuordnung der Knotenpunkte zur Auswertung werden vorzugsweise Analog-Multiplexer eingesetzt, die vom Mikrocontroller adressiert werden und dessen Analogspannungs-Eingang die jeweils richtige Differenzspannung zuführen. For the time-correct assignment of the nodes to evaluate preferably analog multiplexers are used, which are addressed by the microcontroller and perform the respective correct differential voltage the analog voltage input. Jede messbare Differenzspannung Any measurable difference voltage 45 45 ist eine vorzeichenrichtige Information über eine Abweichung des Kommutierungswinkels zum momentanen Optimum. is a correct sign information on a deviation of the commutation angle to the current optimum. Deshalb wird diese über ein Integrierglied geglättet und direkt als Phasenverschiebung in die Kommutierungszeitpunkte eingerechnet. Therefore, this is smoothed over an integrator and included directly as a phase shift in the commutation. Hierzu dient eine Verzögerungsfunktion, deren Zeitkonstante aus gültiger Drehzahl und Phasenverschiebung bestimmt wird. This purpose, a delay function, the time constant is determined from rotational speed and a valid phase shift.
  • Es ist nicht immer notwendig, ebenso viele Multiplexerkanäle wie Knotenpunkte vorzusehen, weil die zu benutzenden Knotenpunkte nicht unbedingt in der Mitte des Strompfades liegen müssen. It is not always necessary to provide as many multiplexer channels as nodes because the nodes to be used need not necessarily be in the middle of the current path. Es genügt, wenn die beiden Knotenpunkte symmetrisch zur Stromrichtung liegen, um ein Brücken-Null zu erreichen. It is sufficient if the two nodes are symmetrical to the current direction in order to achieve a bridge zero.
  • 9 9 vermittelt die Gesamtübersicht eines auf der Basis eines Mikrocontrollers ausgeführten Anwendungsbeispiels mit einem gebräuchlichen 8-Bit-Mikrocontroller provides a comprehensive overview of an application example executed based on a microcontroller with a conventional 8-bit microcontroller 50 50 den Multiplexern multiplexers 51 51 und allen anderen bereits erklärten Positionszahlen. and all other already declared position numbers.
  • Der Einfachheit halber wird das Ausführungsbeispiel als zweipolige Maschine angegeben. For simplicity, the embodiment is indicated as two-pole machine. Bei mehrpoligen Maschinen werden alle für dieses Beispiel genannten Winkel entsprechend konvertiert: Der Winkel zwischen beiden Hall-Sensoren wird mit der halben Polzahl geteilt; For multi-pole machines all angles mentioned in this example are converted to match: the angle between two Hall sensors is split with half the number of poles; die Wicklungsteile dem entsprechend ausgelegt. the winding portions of the designed accordingly.

Claims (7)

  1. Gleichstrom-Maschine mit elektronischer Kommutierung, bestehend zumindest aus – einem Permanentmagnet-Läufer, – einem Stator mit einer fortschreitenden elektrischen Wicklung, die aus einer Anzahl gleichartiger Wicklungselemente, die zyklisch in Reihe geschaltet sind und deren Wicklungsenden in Knotenpunkten miteinander verbunden sind, besteht, – einem elektronischen Kommutator, dessen steuerbare Schalterelemente bipolar zwischen jedem dieser Knotenpunkte und den Betriebsstromschienen angeordnet sind, – einem Phasenreferenz-Generator, der ein Phasen-Taktsignal so auf die Schalterelemente verteilt, dass eine zyklische Folge von Schaltvorgängen erzeugt wird, die sich synchron und phasenrichtig zur Bewegung des Läufers verhält, und – einem Phasenregelkreis zur phasenrichtigen Synchronisation zwischen Läufer und Drehfeld, der die mit einem konstanten Divisor heruntergeteilte Frequenz des Phasen-Taktsignals mit dem Signal von einem oder einigen wenigen Läufer-Positionsgebern, Direct current machine with electronic commutation, consisting at least of - a permanent magnet rotor, - a stator having a progressive electrical winding consisting of a number of identical winding elements, which are cyclically connected in series and their winding ends are connected in nodal points with one another - an electronic commutator, the controllable switch elements are arranged bipolar between each of these points and the operating current rails, - a phase reference generator which so distributes a phase clock signal to the switching elements that is generated a cyclic sequence of switching operations that are synchronous and in phase to behaves movement of the rotor, and - a phase locked loop for in-phase synchronization between the rotor and rotating field of the divided by a constant divisor frequency of the phase clock signal with the signal from one or a few rotor-position sensors, deren Anzahl kleiner ist als die Anzahl zu unterscheidender Kommutator-Phasen, phasenrichtig vergleicht und nachregelt, und – zwei Positionsgebern, die entlang der Bewegungsrichtung des Läufers in einem geometrischen Abstand von einer halben Polweite des Läufers angeordnet sind, so dass aus den Signalen beider Positionsgeber stets der Quadrant der magnetischen Läuferposition gewinnbar ist, wobei stets bei wenigstens einem der vier auftretenden Quadrantenübergänge, die von den Positionsgebern während jeder magnetischen Drehperiode gewonnen werden, ein Übergang auf die diesem Übergang zuzuordnende Kommutierungsphase in einer Vorrangfunktion gegenüber der regelmäßigen Kommutierungsphase des Phasenregelkreises erfolgt. whose number is smaller than the number of indistinguishable commutator phases, the correct phase compares and readjusts, and - two position sensors, which are arranged along the direction of movement of the rotor in a geometric distance of a half pole width of the rotor, so that from the signals of the two position sensors always is obtainable, the quadrant of the magnetic rotor position, always occurs at least one of the quadrant transitions four problems, which are obtained from the position sensors during each magnetic rotation period, a transition to this transition attributable commutation in a priority function with respect to the regular commutation of the phase locked loop.
  2. Gleichstrom-Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenregelkreis mittels eines Programm-Moduls in einem Mikroprozessor oder Mikrocontroller realisiert wird. Direct current machine as claimed in claim 1, characterized in that the phase locked loop is implemented by means of a program module in a microprocessor or microcontroller.
  3. Gleichstrom-Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsgeber als Hall-Sensoren ausgeführt sind. Direct current machine as claimed in claim 1 or 2, characterized in that the position sensors are designed as Hall sensors.
  4. Gleichstrom-Maschine mit elektronischer Kommutierung, bestehend zumindest aus – einem Permanentmagnet-Läufer, – einem Stator mit einer fortschreitenden elektrischen Wicklung, die aus einer Anzahl gleichartiger Wicklungselemente, die zyklisch in Reihe geschaltet sind und deren Wicklungsenden in Knotenpunkten miteinander verbunden sind, besteht, – einem elektronischen Kommutator, dessen steuerbare Schalterelemente bipolar zwischen jedem dieser Knotenpunkte und zwei Betriebsstromschienen angeordnet sind und somit einen auf zwei symmetrische Teilzweige aufgespaltenen, in seiner Lage in der Wicklung zeitlich veränderlichen Betriebsstrompfad durch die Wicklung bilden, wobei zum Zwecke einer lastabhängigen phasenrichtigen Synchronisation zwischen Läufer und Drehfeld ein Regelkreis vorhanden ist, dessen Regelgröße die Winkeldifferenz zwischen Kommutierungsphase und mechanischer Läuferposition ist und dessen Regelabweichung direkt aus der Brückenspannung zwischen zwei quer und sym Direct current machine with electronic commutation, consisting at least of - a permanent magnet rotor, - a stator having a progressive electrical winding consisting of a number of identical winding elements, which are cyclically connected in series and their winding ends are connected in nodal points with one another - an electronic commutator, the controllable switch elements are arranged bipolar between each of these nodes and two operating current rails and thus form a split to two symmetrical sub-branches, time-variable in its position in the winding operation the current path through the winding, for the purpose of a load-dependent phase-correct synchronization between the rotor and rotating field, a control circuit is present, whose controlled variable is the angle difference between commutation and mechanical rotor position and the control deviation directly from the bridge voltage between two transverse and sym metrisch zum momentan vorhandenen Betriebsstrompfad liegenden, mittels elektronischer, synchron zum elektronischen Kommutator geschalteter, Signalmultiplexer abgetasteten, Knotenpunkten gewonnen wird. metric underlying the currently existing operating current path is obtained by means of electronic, synchronously-switched the electronic commutator sampled signal multiplexer nodes.
  5. Gleichstrom-Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkreis PI-Verhalten aufweist. Direct current machine as claimed in claim 4, characterized in that the control loop PI behavior has.
  6. Gleichstrom-Maschine mit elektronischer Kommutierung, bestehend zumindest aus – einem Permanentmagnet-Läufer, – einem Stator mit einer fortschreitenden elektrischen Wicklung, die aus einer ungeraden Anzahl gleichartiger Wicklungselemente, die zyklisch in Reihe geschaltet sind und deren Wicklungsenden in Knotenpunkten miteinander verbunden sind, besteht, – einem elektronischen Kommutator, dessen steuerbare Schalterelemente bipolar zwischen jedem dieser Knotenpunkte und zwei Betriebsstromschienen angeordnet sind und durch Kommutierung von Schalterelementen elektrisch diametral gegenüber liegender, mit der Wicklung verbundener, Einspeisepunkte einen auf zwei symmetrische Teilzweige aufgespaltenen, in seiner Lage in der Wicklung zeitlich veränderlichen, Betriebsstrompfad durch die Wicklung bilden, wobei die Kommutierung derart erfolgt, dass in Abhängigkeit von der Läuferstellung zwischen beiden Einspeisepunkten abwechselnd ein Wicklungselement an einem ersten der beiden Einspeis Direct current machine with electronic commutation, consisting at least of - a permanent magnet rotor, - a stator having a progressive electrical winding consisting of an odd number of identical winding elements, which are cyclically connected in series and their winding ends are connected in nodal points with one another, - an electronic commutator, the controllable switch elements are arranged bipolar between each of these nodes and two operating bus bars and electrically diametrically opposed by commutation of switching elements, with the winding connected, entry points a split to two symmetrical sub-branches, time-variable in its position in the winding, operating the current path formed by the winding, the commutation is performed such that a function of the rotor position between the two feed points alternately, a winding element to a first of the two Einspeis epunkte kurzgeschlossen wird und die beiden Knotenpunkte des kurzgeschlossenen Wicklungselements mit der ersten Betriebsstromschiene verbunden werden, und dass gleichzeitig am diametral gegenüber liegenden zweiten Einspeisepunkt der Knotenpunkt mit der anderen Betriebsstromschiene verbunden wird und erster und zweiter Einspeisepunkt ständig diese Funktion tauschen. epunkte is short-circuited and the two nodes of the short-circuited winding element are connected to the first operating current rail, and that at the same time at the diametrically opposite second entry point node is connected to the other operating current rail and the first and second feed point constantly replace this function.
  7. Gleichstrom-Maschine mit elektronischer Kommutierung, bestehend zumindest aus – einem Permanentmagnet-Läufer, – einem Stator mit einer fortschreitenden elektrischen Wicklung, die aus einer ungeraden Anzahl gleichartiger Wicklungselemente, die zyklisch in Reihe geschaltet sind und deren Wicklungsenden in Knotenpunkten miteinander verbunden sind, besteht, – einem elektronischen Kommutator, dessen steuerbare Schalterelemente bipolar zwischen jedem dieser Knotenpunkte und zwei Betriebsstromschienen angeordnet sind und durch Kommutierung von Schalterelementen elektrisch diametral gegenüber liegender, mit der Wicklung verbundener, Einspeisepunkte einen auf zwei symmetrische Teilzweige aufgespaltenen, in seiner Lage in der Wicklung zeitlich veränderlichen, Betriebsstrompfad durch die Wicklung bilden, wobei die Kommutierung derart erfolgt, dass in Abhängigkeit von der Läuferstellung zwischen beiden Einspeisepunkten abwechselnd wenigstens drei Wicklungselemente an einem ersten der be Direct current machine with electronic commutation, consisting at least of - a permanent magnet rotor, - a stator having a progressive electrical winding consisting of an odd number of identical winding elements, which are cyclically connected in series and their winding ends are connected in nodal points with one another, - an electronic commutator, the controllable switch elements are arranged bipolar between each of these nodes and two operating bus bars and electrically diametrically opposed by commutation of switching elements, with the winding connected, entry points a split to two symmetrical sub-branches, time-variable in its position in the winding, operating the current path formed by the winding, the commutation is performed such that a function of the rotor position between the two feed points alternately at least three winding elements be at a first iden Einspeisepunkte kurzgeschlossen werden und die Knotenpunkte der kurzgeschlossenen Wicklungselemente mit der ersten Betriebsstromschiene verbunden werden, und dass gleichzeitig am diametral gegenüber liegenden zweiten Einspeisepunkt ein Wicklungselement weniger als am ersten Einspeisepunkt kurzgeschlossen und die Knotenpunkte der kurzgeschlossenen Wicklungselemente mit der anderen Betriebsstromschiene verbunden werden und erster und zweiter Einspeisepunkt ständig diese Funktion tauschen. iden entry points are short-circuited, and the nodes of the short-circuited winding elements are connected to the first operating current rail, and that at the same time at the diametrically opposite second feeding point, a winding element is less than shorted at the first entry point and the nodes of the short-circuited winding elements are connected to the other operating current rail and the first and second feed-ever replace this function.
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