DE102011056252A1

DE102011056252A1 - Bestimmung von Zustandsgrößen eines permanentmagneterregten Synchronmotors

Info

Publication number: DE102011056252A1
Application number: DE201110056252
Authority: DE
Inventors: Ulrich Virnich; Christian Bienick
Original assignee: E-Motiontech GmbH; Motiontech E GmbH
Current assignee: E-Motiontech GmbH; Motiontech E GmbH
Priority date: 2011-12-09
Filing date: 2011-12-09
Publication date: 2013-06-13

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen permanentmagneterregten Synchronmotor mit einer besonders einfachen, robusten und kostengünstigen Sensorik zur Bestimmung von Motorzustandsgrößen wie der Polradlage, der Drehzahl oder der Drehrichtung. Stirnseitig angeordnete Hallsensoren 5, 6 erfassen dazu das Magnetfeld an der Stirnseite der am Umfang des Rotors 3 angeordneten Permanentmagnete 4. Die Periodizität und Relativbeziehung der Messsignale 7, 8 von diesen mindestens zwei Sensoren 5, 6 erlaubt eine eindeutige Bestimmung dieser Motorzustandsgrößen.

Description

Die Erfindung betrifft permamentmagneterregte Synchronmotoren (PMSM), insbesondere eine verbesserte bzw. vereinfachte Bestimmung von Zustandsgrößen des Motors, wie zum Beispiel dessen Drehrichtung, Polradlage und/oder Drehzahl. Von Interesse sind speziell Synchronmotoren die in der Radnabe untergebracht sind und im Automobilbereich eingesetzt werden.
Bei permanentmagneterregten Synchronmotoren ist es wichtig, die momentane Polradlage, das heißt den Verdrehwinkel des beweglichen Rotors bezüglich des ortsfesten Stators, in der Ruhelage zu kennen, damit die Steuerung des magnetischen Drehfelds der Statorspulen darauf abgestimmt werden kann. Aber auch die Polradlage eines sich drehenden Motors im Betriebszustand sowie dessen Drehrichtung oder Drehzahl sind wichtige Steuergrößen deren genaue Kenntnis für den optimalen Motorbetrieb von Bedeutung ist.
Im Stand der Technik sind bereits verschiedene Lösungen zur Bestimmung der Polradlage in permanentmagneterregten Synchronmotoren bekannt.
Erstens gibt es sensorlose Softwarelösungen, die aber nicht geeignet sind, den Motor bei Drehzahl 0 (d. h. aus dem Stillstand) mit einem Nenndrehmoment anzufahren.
Zweitens sind Lösungen bekannt, die induktive Sensoren verwenden. Diese Lösungen gelten allerdings als nachteilig, weil die Induktionssensoren bereits während der Fertigung auf den speziellen Motortyp angepasst werden müssen.
Drittens ist es auch bekannt, die Polradlage mittels einer Magnetfeldsensorik zu bestimmen, die auf der Stirnseite der Motorachse montiert ist und zusätzlich zu den Permanentmagneten des Rotors über eigene Permanentmagnete verfügt. Die Anbringung dieser Magnetfeldsensorik ist aber mechanisch aufwendig.
Viertens existieren Lösungen, die einen sogenannten Resolver einsetzen. Ein Resolver besteht prinzipiell aus zwei senkrecht aufeinander stehenden Spulen, die eine Rotorwicklung in der Mitte umschließen. Auf die beiden senkrecht zueinander orientierten Spulen wird eine um 90° phasenverschobene Wechselspannung aufgeprägt. Die Phasenlage der im Rotor induzierten Spannung ist dann direkt abhängig von der Lage der Rotorwicklung zu den Statorwicklungen. Ein solches Resolversystem ist vergleichsweise aufwendig, da zwei Erregerwicklungen und eine aus dem Motor herausgeführte Welle benötigt werden. Im Stand der Technik bekannte hochintegrierte Systeme sind zudem vergleichsweise schwer und teuer.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die aufgezeigten Nachteile des Stands der Technik zu überwinden und einen mit einem Messsystem ausgestatteten Synchronmotor zu schaffen, der eine einfache, robuste, effektive und trotzdem kostengünstige Bestimmung seiner Zustandsgrößen, insbesondere seiner Drehrichtung, seines Polradwinkels und/oder seiner Drehzahl, ermöglicht. Außerdem soll ein entsprechendes Verfahren angegeben werden.
Die Aufgabe wird durch den im Anspruch 1 definierten Synchronmotor und das im Anspruch 10 definierte Verfahren gelöst. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausführungsbeispiele.
Die Kernidee der vorliegenden Erfindung besteht darin, zur Gewinnung von Informationen über die Rotorposition das magnetische Neben- oder Streufeld der für den Antrieb des Synchronmotors ohnehin erforderlichen Permanentmagnete des Rotors auszuwerten, also die Komponente des Magnetfelds, die stirnseitig aus den Permanentmagneten austritt und daher ohnehin nicht zur Drehmomentbildung beiträgt.
Mindestens zwei Magnetfeldsensoren werden so angeordnet, dass sie das von den Permanentmagneten am Umfang des Rotors erzeugte Magnetfeld erfassen. Die Magnetfeldsensoren sind ortsfest und so an der Stirnseite der Motordrehachse angeordnet, dass die dort gemessenen Magnetfelder, die durch das magnetische Streu- oder Nebenfeld der Rotor-Permamentmagnete erzeugt werden, charakterisierende Rückschlüsse auf Motorzustandsgrößen, insbesondere dessen Drehrichtung, Polradlage und/oder Drehzahl, erlauben. Die erfindungsgemäße Sensoranordnung erlaubt es, den Motoraufbau als solchen komplett unverändert zu lassen. Es müssen lediglich die Magnetfeldsensoren befestigt und deren Signale erfindungsgemäß ausgewertet werden. Daher ist die Erfindung universell und kostengünstig einsetzbar.
Gemäß einem bevorzugten Aspekt der Erfindung sind zwei Magnetfeldsensoren so angeordnet, dass sie bezogen auf die Rotordrehachse miteinander einen Mittelpunktswinkel einschließen, der sich von dem zweier benachbarter Permanentmagnete des Rotors unterscheidet, die regelmäßig entlang des Außenumfangs des Rotors angeordnet sind. Je nachdem, ob dann das Messsignal des ersten Sensors dem des zweiten Sensors voraus- oder nacheilt, kann die erfindungsgemäße Auswerteinheit dann aus der Phasenbeziehung der beiden Sensorsignale feststellen, ob der Motor sich in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung dreht.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt der Erfindung wird der Absolutwert eines oder mehrerer Sensorsignale herangezogen, um die Polradlage, das heißt die Verdrehposition des Rotors bezüglich des ortsfesten Stators, zu ermitteln. Für einen stehenden Rotor benötigt man dazu mindestens zwei Sensorsignale. In einer für jeden Motortyp nur einmal erforderlichen Referenzmessung werden die Absolutwerte des Magnetfelds für verschiedene Verdrehwinkel des Rotors aufgezeichnet. Auf diese Referenzwerte wird anschließend zurückgegriffen, um zwei aktuell gemessene Sensorwerte mit den Referenzwerten zu vergleichen und dabei die zu den ähnlichsten Referenzwerten gehörende Polradlage als aktuelle Polradlage zu bestimmen. Ist der Motor einmal angelaufen, genügt für die Polradlagebestimmung die Auswertung der Periodizität nur eines Sensorsignals.
In einem weiteren bevorzugten Aspekt der Erfindung wird die Drehzahl des Motors aus der Periodizität mindestens eines Sensorsignals ermittelt. Dies geschieht durch einfache Division der doppelten Frequenz des Messsignals durch die Gesamtzahl der am Außenumfang des Rotors angeordneten Permanentmagnete.
Die Messanordnung der hier beschriebenen Erfindung zeichnet sich gegenüber herkömmlichen Lösungen auch insbesondere dadurch aus, dass die in der Automobilindustrie gebräuchlichen ABS-Sensoren für die Bestimmung der Drehzahl und Drehrichtung nicht mehr erforderlich sind. Dadurch wird die Messanordnung insgesamt günstiger und weniger anfällig gegen den Ausfall einzelner Sensoren.
Die Erfindung wird im Folgenden in einem Ausführungsbeispiel noch genauer anhand von Zeichnungen beschrieben. Darin zeigt:
1A eine schematische Darstellung des Motors gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer radialen Querschnittsansicht;
1B den Rotor und die Sensoren des Ausführungsbeispiel gemäß 1A in einer axialen Querschnittsansicht;
2A einen Teil des Synchronmotors des Ausführungsbeispiels der 1A in abgewickelter Form;
2B eine Seitenansicht der Darstellung gemäß 2A; und
3 ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf typischer Messsignale zweier Magnetfeldsensoren gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die 1A und 1B zeigen Querschnittsansichten des erfindungsgemäßen Motors mit einem ortsfesten Stator 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Ausführungsbeispiel zeigt einen Innenläufermotor. Die Erfindung ist aber ebensogut auf Außenläufermotoren anwendbar.
Im gezeigten Beispiel sind in der rein schematischen und ausschnittsweisen Darstellung der 1A am Innenumfang des Stators 1 in regelmäßigen Abständen mehrere Statorwicklungen 2 angebracht, von denen zur besseren Übersichtlichkeit nur sechs dargestellt sind. Gegenüber bzw. innerhalb des Stators 1 ist ein beweglich um eine Motorachse gelagerter Rotor 3 angeordnet, der korrespondierend zu den Statorwicklungen 2 an seinem Außenumfang mehrere Permanentmagnete 4 mit abwechselnder Polung aufweist. Wiederum sind zur besseren Übersichtlichkeit in der schematischen und ausschnittsweisen Darstellung der 1A nur sechs Permanentmagnete 4 dargestellt. Im Falle eines Außenläufermotors wäre die Anordnung von Stator und Rotor gerade umgekehrt, d. h. der Stator 1 wäre innerhalb des Rotors 3 angeordnet.
Es handelt sich generell um ein mehrphasiges (im gezeigten Beispiel dreiphasiges) System mit entsprechenden mehrphasigen (im gezeigten Beispiel dreiphasigen) Statorsträngen. Das Mess- bzw. Auswertungssystem der vorliegenden Erfindung ist ferner unabhängig von der konreten Bauart des Motors, insbesondere von der Anzahl von Statorwicklungen und Permanentmagneten des Motors und von der Tatsache, ob es sich um einen Innen- oder Außenläufermotor handelt.
Der Stator ist an eine mehrphasige Wechselspannungsquelle (nicht gezeigt) angeschlossen, die die Stromversorgung der Statorwicklungen 2 so steuert, dass ein magnetisches Drehfeld erzeugt wird, das die Permanentmagnete 4 des Rotors 3 zur Drehung veranlasst.
An der Stirnseite der Motordrehachse sind ortsfest zwei Hallsensoren 5, 6 angeordnet, die den Permanentmagneten 4 am Außenumfang des Rotors 3 gegenüberstehen, um deren Magnetfeld zu erfassen. Durch ihren Einbau in den Motor liegen die Sensoren 5, 6 geschützt vor äußeren Störeinflüssen wie Verschmutzung oder mechanischen Stößen. Die zwei Hallsensoren 5, 6 sind versetzt zueinander längs des Rotoraußenumfangs angeordnet und zwar nicht im gleichen Abstand wie die Permanentmagnete 4, sondern in einem davon verschiedenen, vorzugsweise kleineren, Abstand. Das heißt, dass die zwei Hallsensoren 5, 6 miteinander bezogen auf die Motordrehachse einen Mittelpunktswinkel einschließen, der sich von dem Mittelpunktswinkel zweier benachbarter Permanentmagnete 4 unterscheidet.
Dies ist vorteilhaft und wichtig, um aus der Relation der beiden Messsignale der Hallsensoren 5, 6 eine eindeutige Information über die Polradlage oder die Drehrichtung des Motors zu gewinnen. Hätte der zweite Hallsensor 6 einen Abstand von dem ersten Hallsensor 5, der im Wesentlichen dem umfangsseitigen Abstand zweier benachbarter Permanentmagnete 4 (oder einem ganzzahligen Vielfachen davon) entspricht, so hätten die Messsignale der beiden Hallsensoren 5, 6 die gleiche Phaseninformation und eine Bestimmung der Drehrichtung beziehungsweise der Polradlage bei stehendem Motor wäre nur schwer möglich. Die Messsignale der Sensoren 5, 6 werden von einer Auswerteinheit (nicht gezeigt) erfasst und zur Bestimmung der gewünschten Motorzustandsgröße ausgewertet.
Die 2A und 2B zeigen zur besseren Verständlichkeit nochmals eine teilweise Ansicht des Synchronmotors gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel in abgewickelter Form. 2A stellt eine Draufsicht auf den abgewickelten Stator 1 und den Rotor 3 darunter dar. In der rein schematischen und nur ausschnittsweisen Darstellung der 2A sind zur Veranschaulichung acht Statorwicklungen 2 und neun Permanentmagnete 4 zu sehen. Gut erkennbar ist die Anordnung der Permanentmagnete 4 in abwechselnder magnetischer Orientierung. Die Tatsache, dass die Sensoren 5, 6 einen anderen (geringeren) Abstand voneinander aufweisen als die einzelnen Permanentmagnete 4, wird in der abgewickelten Darstellung der 2A besonders deutlich.
3 zeigt den typischen Signalverlauf der Sensorsignale 7, 8 der zwei Hallsensoren 5, 6. Der darin dargestellte Graph zeigt die Hallspannung U_H auf der Ordinate gegen die Zeit t auf der Abszisse und macht dadurch den zeitlichen Verlauf der gemessenen Magnetfelder deutlich. Beide Signale 7, 8 sind periodisch und weisen die gleiche Grundschwingungsdauer T auf. Das Messsignal 7 des ersten Sensors 5 eilt dem Messsignal 8 des zweiten Sensors 6 um die Phase φ voraus.
Im gezeigten Beispiel ist die Phase φ positiv, woraus sich schließen lässt, dass sich der in 1A gezeigte Rotor 3 in Rechtsrichtung dreht. Würde er sich umgekehrt drehen, wäre die gemessene Phase φ negativ. Ferner lässt sich die Grundfrequenz f = 1/T der beiden periodischen Schwingungen ermitteln und daraus durch Division der doppelten Frequenz durch die Anzahl von Permanentmagneten 4 (oder Division der Frequenz f durch die Anzahl der Permanentmagnet-Paare) die Drehzahl des Motors bestimmen. Bei getriebelosen Radnabenmotoren ist die Motordrehzahl gleichzeitig identisch mit der Raddrehzahl.
Für die Bestimmung der Polradlage werden vorzugsweise nur die Absolutwerte der Sensorsignale 7, 8 verwendet. Aufgrund der versetzten Anordnung der Hallsensoren 5, 6 korrespondieren unterschiedliche Sensor-Messwertpaare eindeutig zu einzelnen der möglichen Relativpositionen zwischen den Permanentmagneten 4 und den Hallsensoren 5, 6. Eine eindeutige Zuordnung der Sensorsignalpaare zu den verschiedenen Relativpositionen lässt sich daher anhand einer Referenzmessung vorher erfassen. Durch Vergleich des aktuell gemessenen Wertepaars der Sensoren 5, 6 mit den Referenzdaten lässt sich dann bei stehendem Motor die zugehörige Polradlage durch Vergleich ermitteln. Diese Schritte vollzieht ebenso wie die Vorgänge zur Bestimmung der anderen Motorzustandsgrößen vorzugsweise ein entsprechendes Softwareprogramm der Auswerteinheit.
Bei sich drehendem Motor lässt sich der periodische Signalverlauf bereits eines Sensors 5 oder 6 eindeutig dem zeitlichen Verlauf der Polradlage zuordnen. Beispielsweise entsprechen die Maxima/Minima des Signals 7 beziehungsweise 8 der 3 jeweils der Polradlage, in der der zugehörige Sensor 5 beziehungsweise 6 dem Nordpol/Südpol eines Permanentmagneten 4 gerade gegenüberliegt.
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung einen permanentmagneterregten Synchronmotor mit einer besonders einfachen, robusten und kostengünstigen Sensorik zur Bestimmung von Motorzustandsgrößen wie der Polradlage, der Drehzahl oder der Drehrichtung. Stirnseitig angeordnete Hallsensoren 5, 6 erfassen dazu das Magnetfeld der am Umfang des Rotors 3 angeordneten Permanentmagnete 4. Die Periodizität und Relativbeziehung der Messsignale 7, 8 von diesen mindestens zwei Sensoren 5, 6 erlaubt eine eindeutige Bestimmung dieser Motorzustandsgrößen.

Claims

Permanentmagneterregter Synchronmotor mit einem Rotor (3) mit mehreren Permanentmagneten (4), einem Stator (1) mit mehreren Statorspulen (2), die dazu ausgelegt sind, mittels eines bewegten magnetischen Drehfelds eine Drehkraft auf den Rotor (3) auszuüben, mindestens zwei Magnetfeldsensoren (5, 6) und einer Auswerteinheit, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (5, 6) dazu ausgelegt sind, das magnetische Feld der Permanentmagnete (4) zu messen, und die Auswerteinheit dazu ausgelegt ist, die Messsignale der Sensoren (5, 6) auszuwerten, um eine Zustandsinformation über den Motor zu erhalten, insbesondere dessen Drehrichtung, Polradlage und/oder Drehzahl.
Synchronmotor nach Anspruch 1, wobei die Sensoren (5, 6) Hallsensoren sind, und/oder die Permanentmagnete (4) auf einem gemeinsamen Radius angeordnet sind, und/oder die Statorspulen (2) auf einem gemeinsamen Radius angeordnet sind.
Synchronmotor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Sensoren (5, 6) ortsfest an der Motorstirnseite auf Höhe der Permanentmagnete (4) auf einem gemeinsamen Radius eines Kreises angebracht sind, der zu einem Kreis konzentrisch ist, auf dessen Radius die Permanentmagnete (4) angeordnet sind.
Synchronmotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die mindestens zwei Sensoren (5, 6) so angeordnet sind, dass sie bezogen auf die Rotordrehachse miteinander einen Mittelpunktswinkel einschließen, der sich von dem Mittelpunktswinkel unterscheidet, den zwei benachbarte der regelmäßig am Außenumfang des Rotors (3) angeordneten Permanentmagnete (4) einschließen.
Synchronmotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Auswerteinheit dazu ausgelegt ist, die Drehrichtung des Rotors (3) zu bestimmen, indem sie die Phasenbeziehung zwischen den Messsignalen (7, 8) der mindestens zwei Sensoren (5, 6) feststellt.
Synchronmotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Auswerteinheit dazu ausgelegt ist, die Polradlage, also den Verdrehwinkel der Permanentmagnete (4) des Rotors (3) bezüglich der Statorspulen (2) des ortsfesten Stators (1), zu ermitteln, indem sie das Messsignal (7, 8) eines oder mehrerer Sensoren (5, 6) mit einem oder mehreren Referenzwerten vergleicht.
Synchronmotor nach Anspruch 6, wobei die Auswerteinheit dazu ausgelegt ist, die Polradlage des stehenden Motors zu ermitteln, indem sie die gegenwärtigen Messsignale (7, 8) der mindestens zwei Sensoren (5, 6) mit Referenzwerten vergleicht, die vorab in einer für den Motor einmalig durchgeführten Referenzmessung verschiedener Relativpositionen zwischen den Sensoren (5, 6) und den Permanentmagneten (4) aufgezeichnet wurden.
Synchronmotor nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Auswerteinheit dazu ausgelegt ist, den zeitlichen Verlauf der Polradlage des sich drehenden Motors zu ermitteln, indem sie den zeitlichen Verlauf des Messsignals (7, 8) eines der Sensoren (5, 6) mit dem zeitlichen Verlauf von Referenzwerten vergleicht, die vorab in einer Messung verschiedener Relativpositionen zwischen dem einen Sensor (5, 6) und den Permanentmagneten (4) aufgezeichnet wurden.
Synchronmotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Auswerteinheit dazu ausgelegt ist, die Drehzahl des Rotors (3) zu berechnen, indem sie die doppelte Frequenz (f) wenigstens eines periodischen Sensor-Messsignals (7, 8) durch die Anzahl der regelmäßig am Umfang des Rotors (3) mit abwechselnder Polung angeordneten Permanentmagnete (4) dividiert.
Verfahren zum Erhalten einer Zustandsinformation eines permanentmagneterregten Synchronmotors, der einen Stator (1) mit mehreren Statorspulen (2), einen Rotor (3) mit mehreren Permanentmagneten (4), mindestens zwei Magnetfeldsensoren (5, 6) und eine Auswerteinheit aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verfahren die Sensoren (5, 6) das magnetische Feld der Permanentmagnete (4) messen, und die Auswerteinheit die Messsignale der Sensoren (5, 6) auswertet, um die Zustandsinformation des Motors zu erhalten, insbesondere dessen Drehrichtung, Polradlage und/oder Drehzahl.