DE102010033872A1

DE102010033872A1 - Brushless direct current motor for use in automotive industry, has electronic control system and light barrier unit for flowing current from control system and light barrier to power transistors and vice versa

Info

Publication number: DE102010033872A1
Application number: DE102010033872A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-08-10
Filing date: 2010-08-10
Publication date: 2012-02-16

Abstract

The motor has an electronic control system and a light barrier unit for flowing current from the control system and the barrier to power transistors and vice versa. Coil switching transistors (T1-T6) are connected with each other such that small constant collector-emitter voltage is produced. Current direction of toroidal motor coils is switched to magnet positions. The control system returns flow of the current to a power source during change of a direction of the current in the motor coils, and the motor rotates in a clockwise direction or an anti-clockwise direction.

Description

VorbemerkungPreliminary note

Die Erfindung betrifft einen Energie sparenden kollektorlosen Gleichstrommotor mit Permanentmagneten und einer Lichtschranke.The invention relates to an energy-saving brushless DC motor with permanent magnets and a light barrier.

Meiner Erfindung nahekommendes Dokument ist: US 000005179307 A , Direct current brushless motorClosing to my invention is: US 000005179307 A , Direct current brushless motor

Wesentliche Unterschiede, Abweichungen zu diesem US-Patent sind:
Anstatt den zusätzlichen Spannungsquellen +15 V und –15 V für die Steuerelektronik im US-Patent verwende ich außer den Motor-Spannungsquellen keine weiteren.Major differences, deviations from this US patent are:
Instead of using the additional voltage sources +15 V and -15 V for the control electronics in the US patent, I do not use any other than the motor voltage sources.

Meine Steuerelektronik ist viel einfacher, nicht so materialaufwendig, bedarf keiner Justage und ist daher kostengünstiger.My control electronics is much simpler, not so material-consuming, requires no adjustment and is therefore more cost-effective.

Die Endtransistoren können bei der Schaltungsgestaltung des US-Patents nicht voll durchschalten. Somit entsteht an den Endtransistoren eine höhere Verlustleistung gegenüber meiner Ausführung.The final transistors can not fully switch through in the circuit design of the US patent. Thus arises at the end transistors a higher power loss compared to my execution.

Der mechanische Aufbau unterscheidet sich im wesentlichen dadurch, dass in meiner Ausführung die Motorspulen in der Höhe versetzt sind, und die Magnete auf einem Sechseck-Rotor angebracht sind, der durch die Motorspulen läuft. Dadurch ist ein sicherer, automatischer Motoranlauf mit der gewünschten Drehrichtung gewährleistet. Das US-Patent hat die Anordnung der Magnete und Spulen genau symmetrisch, wodurch der einfache Motoranlauf mit der gewünschten Drehrichtung nicht gegeben istThe mechanical structure differs essentially in that in my version, the motor coils are offset in height, and the magnets are mounted on a hexagonal rotor, which runs through the motor coils. This ensures a safe, automatic motor start with the desired direction of rotation. The US patent has the arrangement of the magnets and coils exactly symmetrical, whereby the simple engine start with the desired direction of rotation is not given

Mechanischer Ausbau des FunktionsmodellsMechanical removal of the functional model

Der Rotor besteht aus Kunststoff und ist als Sechseck ausgeführt. Auf diesen Rotor sind 6 symmetrisch angeordnete Permanentmagnete abwechselnd mit Nord- und Südpol aufgeklebt.The rotor is made of plastic and is designed as a hexagon. Six symmetrically arranged permanent magnets are glued to this rotor alternately with north and south poles.

Die feststehenden Motor-Ringkernspulen haben einen Eisenkern mit Luftspalt, der die gleiche Länge wie ein Magnet hat. Die 6 Magnete durchwandern bei jeder Umdrehung den Luftspalt der Motor-Ringkernspulen. Die Ruhestellung der Magneten im Luftspalt ist so konstruiert, dass der Magnet etwas aus dem Luftspalt herausragt. Wäre der Magnet genau in der Mitte im Luftspalt, so wäre die Richtung des Herausstoßen und damit die Drehrichtung bei Beginn nicht definiert. Hierzu wurde ein Eisenkern der Motor-Ringkernspule in der Hohe versetzt angebracht. Der Magnet steht dadurch etwas schräg im Luftspalt, siehe Zeichnung, Stellung der Magnete im Luftspalt der Ringkernspulen im Ruhezustand. Die Spulenachse zeigt nicht radial zum Zentrum des Rotors, sondern weicht um einen bestimmten Winkel von diesem Radialstrahl ab.The fixed motor toroidal coils have an iron core with an air gap that is the same length as a magnet. Each of the six magnets passes through the air gap of the motor toroidal coils. The rest position of the magnets in the air gap is designed so that the magnet protrudes slightly from the air gap. If the magnet were exactly in the middle in the air gap, then the direction of the pushing out and thus the direction of rotation at the beginning would not be defined. For this purpose, an iron core of the motor toroidal coil was mounted offset in height. The magnet is thus slightly oblique in the air gap, see drawing, position of the magnets in the air gap of the toroidal coils in the idle state. The coil axis does not point radially to the center of the rotor, but deviates by a certain angle from this radial beam.

Eine feststehende Gabel-Lichtschranke bildet im Zusammenhang mit der separaten Lichtschranken-Scheibe mit ihren Aussparungen die Lichtschrankeneinheit, siehe Zeichnung, Lichtschrankeneinheit. Sie liefert das Signal für den Stand der jeweilige Pollage des Magneten in der Motor-Ringkernspule zur Steuerelektronik. Die Lichtschranken-Scheibe ist auf der Drehachse justierbar und symmetrisch passend mit drei Aussparungen (60 Grad) zu den Magnetanordnungen ausgeführt. Zu Beginn kann ein Magnet mit seinem Nordpol oder Südpol (seitlich, auf einer Seite betrachtet) in der M-Ringkernspule stehen.A fixed fork-type photocell forms in conjunction with the separate light barrier disc with their recesses the light barrier unit, see drawing, light barrier unit. It supplies the signal for the state of each pole position of the magnet in the motor toroidal coil to the control electronics. The light barrier disc is adjustable on the axis of rotation and symmetrically designed with three recesses (60 degrees) to the magnet assemblies. At the beginning, a magnet with its north pole or south pole (laterally, viewed on one side) can stand in the M-ring core coil.

Beschreibung der FunktionDescription of the function

AllgemeinesGeneral

Wesentlich sind zu Beginn zwei Vorgänge:
Der Magnet, der beliebig gepolt im Luftspalt der M-Spule steht, muss zu Beginn mit einem Stromimpuls herausgestoßen und der nächste anders gepolte Magnet mit diesem gleichen Stromimpuls hineingezogen werden. Es steht somit für das nächste Herausstoßen ein entgegengesetzt gepolter Magnet im Luftspalt. Für dieses Herausstoßen und anschließendem Hineinziehen müssen die Motorspulen einen entgegengesetzten Stromimpuls erhalten. Diese Aufgaben erfüllen die Lichtschranken-Einheit, die Steuerelektronik und die M-Spulen.Essential at the beginning are two processes:
The magnet, which is poled in any way in the air gap of the M-coil, must be pushed out at the beginning with a current impulse and the next differently poled magnet must be pulled in with this same current impulse. It stands thus for the next ejection an oppositely poled magnet in the air gap. For this ejection and subsequent pulling the motor coils must receive an opposite current pulse. These tasks are fulfilled by the light barrier unit, the control electronics and the M coils.

Die Funktion wird im folgenden an Hand des Stromlaufplanes der Steuerelektronik erklärt, siehe beiliegenden Schaltplan Steuerelektronik.The function is explained below with reference to the circuit diagram of the electronic control unit, see the enclosed circuit diagram control electronics.

Ablaufprocedure

Angenommen, die Lichtschranken-Scheibe steht zufällig zu Beginn so, dass der Fototransistor der Gabellichtschranke gesperrt ist (kein Licht fällt durch die Lichtschrankenscheibe). Dadurch fließt der Steuerstrom aus der Batterie V1 über die Foto-Diode des Optokopplers zum Transistor T2 und Motorspulen-Schalttransistor T3, der als Schalter den Motorspulenstrom aus der Batterie V1 einschaltet.Assuming that the light barrier disk happens to be at the beginning so that the photo transistor of the fork light barrier is locked (no light falls through the light barrier). As a result, the control current flows from the battery V1 via the photo diode of the optocoupler to the transistor T2 and motor coil switching transistor T3, which switches the motor coil current from the battery V1 as a switch.

Gleichzeitig macht die Foto-Diode des Optokopplers den Fototransistor des Optokopplers leitend, wodurch der Motorspulen-Schalttransistor T4 den Motorspulenstrom aus der Batterie V2 unterbricht.At the same time, the photo-diode of the optocoupler makes the phototransistor of the optocoupler conductive, whereby the motor coil switching transistor T4 interrupts the motor coil current from the battery V2.

Der nun fließende Strom aus der Batterie V1 durch die Motorspulen über T3 bewirkt, dass die beiden Magnete aus dem Luftspalt der Ringkernspulen herausgestoßen und die beiden nächsten, entgegengesetzt gepolten Magnete hineingezogen werden. Es erfolgte dadurch eine 60 Grad-Drehung. Es wurde vorausgesetzt, dass die Lichtschranken-Scheibe vor Beginn so montiert war, dass bei Stromzufuhr die Magnete aus dem Luftspalt der Ringkernspulen herausgestoßen werden können.The now flowing current from the battery V1 through the motor coils via T3 causes the two magnets from the air gap of the toroidal coils pushed out and the next two, opposite polarized magnets are pulled into it. It was done by a 60 degree rotation. It was assumed that the photocell disk was mounted prior to start so that when energized the magnets could be expelled from the air gap of the toroidal coils.

Die Lichtschranken-Scheibe, die sich um 60 Grad weiterdrehte, macht durch ihre Aussparung den Fototransistor der Gabellichtschranke leitend. Dadurch wird der Motorspulen-Schalttransistor T3 gesperrt und der Motorspulen-Schalttransistor T4 leitend. Somit fließt der Motor-Spulenstrom von der Batterie V2 in entgegengesetzter Stromrichtung in die Motorspulen, und es werden nun die entgegengesetzt gepolten Magnete aus dem Luftspalt der Motorspulen herausgestoßen und die nächsten hineingezogen.The light barrier disc, which continued to rotate by 60 degrees, makes the phototransistor of the fork light barrier conductive through its recess. Thereby, the motor coil switching transistor T3 is turned off and the motor coil switching transistor T4 is turned on. Thus, the motor coil current flows from the battery V2 in the opposite direction of current in the motor coils, and now the opposite polarity magnets are pushed out of the air gap of the motor coils and the next pulled in.

Eine Magnetspule hat die physikalische Eigenschaft, dass nach ihrer Stromunterbrechung der Strom in die Magnetspule zurück fließen will (Spule wirkt als Stromquelle). Bei jeder Stromrichtungs-Umschaltung des Stromes für die Motorspulen entsteht ein Stromrückfluss, der mit der umgeschalteten Stromrichtung zusammenfällt. Die (zuständige) Batterie V2 muss durch diesen Spulenrückfluss-Strom weniger an Energie liefern, und es wird Energie eingespart. Der Nachweis ist im Anhang, 2, ausführlich dargestellt.A magnetic coil has the physical property that after its current interruption the current wants to flow back into the magnetic coil (coil acts as a current source). With each current direction switching of the current for the motor coils creates a backflow, which coincides with the switched current direction. The (competent) battery V2 must provide less energy through this coil return flow, and energy is saved. The proof is attached, 2 , presented in detail.

Anhangattachment

An Hand des Stromlaufplanes der Steuerelektronik des Funktionsmodells, 1, in dem ein Messwiderstand von 1 Ohm in Reihe zu den Motorspulen eingefügt wurde, werden die Stromverläufe in den Motorspulen zu der anliegenden Spulenspannung betrachtet.On the basis of the circuit diagram of the control electronics of the function model, 1 , in which a measuring resistor of 1 ohm was inserted in series with the motor coils, the current waveforms in the motor coils are considered to the applied coil voltage.

Es wurde ein SKOPEMETER, FLUKE 99, verwendet. Der gemeinsame Bezugspunkt für die Spannungs- und Strommessung ist der Verbindungspunkt Messwiderstand MR mit Kollektor T3 Die Spannungsmessung wurde an den Verbindungspunkt Motorspule mit Kollektor T4 durchgeführt. Die Strommessung wurde als Spannungsabgriff an den Verbindungspunkt Messwiderstand MR mit Motorspule durchgeführt.A SKOPEMETER, FLUKE 99, was used. The common point of reference for the voltage and current measurement is the connection point measuring resistor MR with collector T3 The voltage measurement was carried out at the connection point motor coil with collector T4. The current measurement was carried out as a voltage tap at the connection point measuring resistor MR with motor coil.

Für das Funktionsmodell wurde anstatt der im Stromlaufplan eingezeichneten Batterien zwei gleichwertige Netzgeräte verwendet, die gleichzeitig von einem Netzschalter eingeschaltet werden.For the function model, instead of the batteries shown in the circuit diagram, two equivalent power supplies were used, which are simultaneously switched on by a power switch.

Vor dem Einschalten der Spannungsquellen V1 und V2 wurde für diese Messungen dafür gesorgt, dass die Gabel-Lichtschranke für den Beginn gesperrt ist, d. h., kein Licht fällt durch die Lichtschrankenscheibe. Dadurch ist die Spannung für die Messungen an den Motorspulen als positiv festgelegt. Im normalen Betrieb kann die Gabel-Lichtschranke zu Beginn beliebig stehen.Before switching on the voltage sources V1 and V2, it was ensured for these measurements that the fork-type photoelectric barrier is blocked for the beginning, ie that the fork-type photoelectric sensor is locked for the beginning. h., no light falls through the light barrier. This sets the voltage for the measurements on the motor coils as positive. In normal operation, the fork photoelectric barrier can be arbitrary at the beginning.

Die 2 zeigt ein Diagramm zum Stromverlauf ab Beginn (Einschaltung) der Energiezufuhr zu den Motorspulen. Es ist hier zu beachten, dass wegen der Stromrichtung in den Motorspulen die Spannung an den Motorspulen zuerst als positiv und danach sofort als negativ zu betrachten ist. Jede Spannungsquelle liefert getrennt von der anderen den Strom für die Motorspulen in der entsprechender Richtung. Zuerst erhalten die Motorspulen die Energie von der Spannungsquelle V1. Der Strom steigt (Magnetfeldaufbau) bis zu einem Schaltwert an, dann wird diese Spannungsquelle V1 unterbrochen und die andere Spannungsquelle V2 liefert den Spulenstrom in entgegengesetzter Richtung, wodurch die Spannung an den Motorspulen als negativ zu sehen ist.The 2 shows a diagram of the current profile from the beginning (switching on) of the power supply to the motor coils. It should be noted here that due to the current direction in the motor coils, the voltage at the motor coils is first to be considered positive and then immediately negative. Each voltage source, separately from the other, supplies the current to the motor coils in the appropriate direction. First, the motor coils receive the power from the voltage source V1. The current increases (magnetic field) to a switching value, then this voltage source V1 is interrupted and the other voltage source V2 supplies the coil current in the opposite direction, whereby the voltage at the motor coils is to be regarded as negative.

Gleichzeitig fließt der in den Motorspulen gespeicherte Strom zurück und hat die gleiche Richtung wie der zugeführte Strom aus der Spannungsquelle V2. Der aus den Motorspulen rückfließende Strom und der zugeführte Strom ergeben den eingezeichnete Summenstrom. Die Energie ist die gezeichnete Fläche von Spannung mal Strom. Die Energie für den umgekehrten Magnetfeldaufbau in den Spulen ist durch den Stromrückfluss vergrößert worden, so dass die Spannungsquelle V2 früher ausgeschaltet und somit die Spannungsquelle V1 eingeschaltet wird.At the same time, the current stored in the motor coils flows back and has the same direction as the supplied current from the voltage source V2. The current flowing back from the motor coils and the supplied current result in the summed current drawn. The energy is the drawn area of voltage times electricity. The energy for the reverse magnetic field buildup in the coils has been increased by the current return, so that the voltage source V2 is turned off earlier and thus the voltage source V1 is turned on.

Durch das Ausschalten der Spannungsquelle V2 und Einschaltung der Spannungsquelle V1 entsteht wie zuvor der eingezeichnete Summenstrom in den Motorspulen.By switching off the voltage source V2 and switching on the voltage source V1 arises as before the drawn sum current in the motor coils.

Die 3 zeigt den gemessenen Einschalt-Kurvenverlauf ohne Belastung des Motors. Es ist zu sehen, dass die Energieaufnahme der Motorspulen infolge der Energie-Rückgewinnung immer kleiner wird.The 3 shows the measured switch-on curve without load on the motor. It can be seen that the energy consumption of the motor coils due to the energy recovery is getting smaller.

Die 4 zeigt das gemessene Diagramm im Dauerlauf ohne Belastung des Motors. Die Magnete werden mit Energie-Zufuhr herausgestoßen, aber ohne Energie-Zufuhr hineingezogen. Der Motor zeigt hier das Verhalten wie ein Schwungrad, das viel Energie für den Anlauf benötigt, aber wenig, um dessen Drehung aufrecht zu halten. Damit zeigt sich die ideale Eignung des Motors als Ventilator.The 4 shows the measured diagram in continuous operation without load on the motor. The magnets are ejected with energy supply, but drawn in without energy supply. The engine here behaves like a flywheel that needs a lot of energy to start, but little to sustain its rotation. This shows the ideal suitability of the motor as a fan.

Die 5 zeigt das gemessene Diagramm im Dauerlauf mit Belastung des Motors. Die beiden Motor-Spannungsquellen wurden von 9 Volt auf 12 Volt erhöht (die Zenerdioden wurden durch einen höheren Wert ersetzt). Wodurch sich die Motor-Geschwindigkeit erhöht. Die beiden End-Transistoren T3 und T4 schalten abwechselnd, und es entsteht jeweils zwischen Kollektor und Emitter eine Spannung, die mit den fließenden Strom die Transistor-Verlustleistung ergibt.The 5 shows the measured diagram in continuous operation with load of the motor. The two motor power sources have been increased from 9 volts to 12 volts (the zener diodes have been replaced by a higher value). Which increases the engine speed. The two end transistors T3 and T4 turn alternately, and there is a voltage between each collector and emitter, which results in the transistor power loss with the current flowing.

Diese Spannung zwischen Kollektor und Emitter wird an T3 im folgenden unter den gegebenen Bedingungen gemessen. Hierzu wird die Leitung vom Kollektor des Fototransistors der Gabel-Lichtschranke zur Basis von T1 unterbrochen. Dadurch fließt von der Spannungsquelle V1 über die Motorspulen, MR und T3 ein Dauerstrom. Die mit einem Digitalvoltmeter gemessene Spannung beträgt 0,30 Volt.This voltage between collector and emitter is measured at T3 below under the given conditions. For this purpose, the line is interrupted by the collector of the photo transistor of the fork-type photoelectric sensor to the base of T1. As a result, a continuous current flows from the voltage source V1 via the motor coils, MR and T3. The voltage measured with a digital voltmeter is 0.30 volts.

Die prozentuale Verlustleistung an einem End-Transistor von der gesamten zugeführten Leistung bei einer 12 V Spannungsquelle betragt 2,5 % und bei einer 60 V Spannungssquelle nur 0,5%, was folgende Rechnung zeigt. Die gesamte zugeführte Leistung ist allgemein der Strom mal der Spannung aus der Spannungsquelle, wobei sich hier die Leistung aufteilt in die zugeführte Leistung in die Motorspulen und der Verlustleistung im End- Transistor T3 (die weiteren Ströme in der Steuerelektronik können vernachlässigt werden). Da der Strom in dieser Gleichung gleich ist, kann man schreiben: 60 V = 59,70 V + 0,30 V 1 = 59,7/60 + 0,30/60 100% = 99,5% + 0,5%, d. h., 0,5% geht an Verlustleistung an dem End-Transistor T3 verloren. Die Motorspulen erhalten 99,5% der zugeführten Leistung.The percent power dissipation at one end transistor of the total input power for a 12V power source is 2.5% and for a 60V power source it is only 0.5%, which shows the following calculation. The total power supplied is generally the current times the voltage from the voltage source, where the power is divided into the power supplied to the motor coils and the power dissipation in the end transistor T3 (the other currents in the control electronics can be neglected). Since the current in this equation is the same, one can write: 60V = 59.70V + 0.30V 1 = 59.7 / 60 + 0.30 / 60 100% = 99.5% + 0.5%, ie, 0.5% is lost to power dissipation at the end transistor T3. The motor coils receive 99.5% of the power supplied.

Durch Parallelschaltung der End-Transistoren und Anordnung weiterer Magnet-Rotoren auf der gemeinsamen Drehachse mit zugehörigen Motorspulen lassen sich auch sehr starke Gleichstrom-Motoren für die Fahrzeugindustrie herstellen.By parallel connection of the end transistors and arrangement of other magnetic rotors on the common axis of rotation with associated motor coils can also produce very strong DC motors for the automotive industry.

Die parallel zu den Motorspulen liegenden Zenerdioden verhindern beim Ausschalten des Motors (Unterbrechung) einen hohen Spannungsaufbau an den Magnetspulen.The Zener diodes located parallel to the motor coils prevent a high voltage build-up on the magnetic coils when the motor is switched off (interruption).

Abbildungen zum FunktionsmodellIllustrations of the functional model

1, Schaltplan Steuerelektronik des Funktionsmodells 1 , Circuit diagram control electronics of the function model

2, Darstellung des Spannungs- und Stromverlaufs ab Beginn 2 , Presentation of the voltage and current curve from the beginning

3, Gemessenes Einschalt-Diagramm, ohne Last 3 , Measured switch-on diagram, without load

4, Gemessenes Diagramm im Dauerlauf, ohne Last 4 , Measured diagram in continuous operation, without load

5, Gemessenes Diagramm im Dauerlauf, mit Last 5 , Measured graph in continuous running, with load

6, Stellung der Magnete im Ruhezustand 6 , Position of the magnets at rest

7, Ringkernspule mit Magnet im Luftspalt 7 , Toroidal coil with magnet in the air gap

8, Lichtschranken-Einheit 8th , Photocell unit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 000005179307 A [0002]

Claims

Motor with the present commutation, referred to collectively as the control electronics and light barrier unit, which is constructed so that a current flow through the power transistors can also be inversely (reversed).

Motor according to claim 1, characterized in that the coil switching transistors can fully switch through, so that a small constant collector-emitter voltage is formed. As a result of which, in parallel connection of a plurality of power transistors, it is also possible to use very strong magnets with low power loss.