Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern einer elektrischen Maschine mittels einer Steuerungsanordnung, wobei die elektrische Maschine einen Stator, einen Rotor und eine Spulenanordnung mit wenigstens einem Spulenstrang zum Antreiben des Rotors aufweist, wobei die Spulenanordnung durch die Steuerungsanordnung in einer Mehrzahl von Kommutierungsschritten unterschiedlich elektrisch angesteuert bzw. bestromt wird, um ein rotierendes Magnetfeld zu erzeugen, wobei der Rotor durch das rotierende Magnetfeld angetrieben wird und wobei bei einer Mehrzahl der Kommutierungsschritte die Spulenanordnung derart angesteuert wird, dass auf den Rotor eine Antriebskraft in einer Antriebsrichtung der Maschine ausgeübt wird.The invention relates to a method for controlling an electrical machine by means of a control arrangement, wherein the electrical machine has a stator, a rotor and a coil arrangement with at least one coil strand for driving the rotor, the coil arrangement being controlled differently by the control arrangement in a plurality of commutation steps or is energized to generate a rotating magnetic field, wherein the rotor is driven by the rotating magnetic field and wherein in a plurality of Kommutierungsschritte the coil arrangement is driven such that on the rotor, a driving force is exerted in a drive direction of the machine.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Ansteuern einer elektrischen Maschine mit einer Steuereinheit, die eine Mehrzahl von steuerbaren Schaltern aufweist und dazu ausgebildet ist, die elektrische Maschine mit elektrischem Strom zu versorgen, und mit einem Steuergerät zum Ansteuern der Steuereinheit.The invention further relates to a device for controlling an electric machine with a control unit having a plurality of controllable switches and is adapted to supply the electric machine with electric current, and with a control device for driving the control unit.
Die Erfindung betrifft schließlich ein Elektrowerkzeug mit wenigstens einer elektrischen Maschine zum Bereitstellen eines Antriebsmoments und mit einer Vorrichtung zum Ansteuern der elektrischen Maschine der oben genannten Art.Finally, the invention relates to a power tool having at least one electric machine for providing a drive torque and having a device for driving the electric machine of the abovementioned type.
Derartige Verfahren zum Ansteuern einer elektrischen Maschine dienen üblicherweise dazu, unterschiedliche Drehzahlen oder Drehmomente zu realisieren.Such methods for controlling an electrical machine usually serve to realize different speeds or torques.
Ein derartiges Verfahren zum Ansteuern einer elektrischen Maschine und zum Realisieren von unterschiedlichen Drehzahlbereichen ist beispielsweise bekannt aus der DE 10 2010 040 725 A1 . Diese elektrische Maschine weist einen permanentmagnetischen Rotor und einen Stator mit einer Mehrzahl von Erregerwicklungen auf, wobei die Maschine einerseits mit einer niedrigen und andererseits mit einer höheren Drehzahl betreibbar ist. Dazu werden Teile der Statorwicklung abgeschaltet oder zwischen einer Reihen- und einer Parallelschaltung von bestimmten Spulenabschnitten umgeschaltet. Durch diese Umschaltung soll zwischen einem Normalbetrieb und einem sogenannten Feldschwächungsbetrieb mit einer höheren Drehzahl umgeschaltet werden.Such a method for driving an electric machine and for realizing different speed ranges is known for example from US Pat DE 10 2010 040 725 A1 , This electric machine has a permanent magnet rotor and a stator with a plurality of exciter windings, wherein the machine is operable on the one hand with a low and on the other hand with a higher rotational speed. For this purpose, parts of the stator winding are turned off or switched between a series and a parallel circuit of certain coil sections. By this switching is to be switched between a normal operation and a so-called field weakening operation with a higher speed.
Nachteilig bei diesem elektrischen Antrieb bzw. diesem Verfahren zum Antreiben einer elektrischen Maschine ist es jedoch, dass die umschaltbaren Teilspulen technisch aufwändig sind und durch die Umschaltung sich die Impedanz der Erregerspulen ändert und dadurch die Stromstärke in den Erregerwicklungen stark variiert. Dadurch vervielfachen sich die Ohmschen Verluste in den Erregerwicklungen im Feldschwächungsbetrieb, wodurch der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine stark variiert. Ferner können derartige Betriebsmodi nicht dauerhaft genutzt werden, da der elektrische Antrieb durch die Ohmschen Verluste thermisch überlastet werden kann.A disadvantage of this electric drive or this method for driving an electric machine, however, is that the switchable partial coils are technically complex and changes the impedance of the excitation coils changes and thereby greatly varies the current in the field windings. As a result, the Ohmic losses multiply in the field windings in the field weakening operation, whereby the efficiency of the electric machine varies greatly. Furthermore, such operating modes can not be used permanently because the electric drive can be thermally overloaded by the Ohmic losses.
Es ist weiterhin bekannt, die Drehzahl eines elektrischen Antriebs, insbesondere einer Drehfeldmaschine, durch Variation der Versorgungsspannung zu steuern. Dabei wird die Drehzahl grundsätzlich über eine Versorgungsspannung direkt beeinflusst. Das Drehmoment bei einer derartigen Regelung ist jedoch nicht entsprechend beeinflussbar.It is also known to control the rotational speed of an electric drive, in particular a rotary field machine, by varying the supply voltage. The speed is always directly influenced by a supply voltage. However, the torque in such a control is not influenced accordingly.
Aus der DE 10 2006 036 986 A1 ist ferner ein Elektromotor mit einer mechanischen Feldschwächungseinrichtung bekannt, bei der der Stator relativ zu dem Rotor in axialer Richtung verschoben wird, um den Einfluss der Permanentmagneten auf die Erregerwicklung zu reduzieren und so eine Feldschwächung zu erreichen.From the DE 10 2006 036 986 A1 Furthermore, an electric motor with a mechanical field weakening device is known, in which the stator is displaced relative to the rotor in the axial direction in order to reduce the influence of the permanent magnet on the excitation winding and thus to achieve a field weakening.
Nachteilig dabei ist es, dass der Elektromotor technisch aufwändig ist, da der Stator gegenüber dem Rotor verschoben wird und dass nur eine sehr langsame Umschaltung zwischen dem Feldschwächungsbetrieb und dem Normalbetrieb realisierbar ist.The disadvantage here is that the electric motor is technically complex, since the stator is moved relative to the rotor and that only a very slow switching between the field weakening operation and normal operation can be realized.
Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine anzugeben, bei dem mit geringem technischen Aufwand und insbesondere ohne konstruktive Veränderung der beweglichen Komponenten der elektrischen Maschine das abgegebene Drehmoment und/oder die abgegebene Drehzahl verändert werden kann.Against this background, it is the object of the present invention to provide a method for operating an electrical machine, in which the output torque and / or the output speed can be changed with little technical effort and in particular without constructive change of the movable components of the electric machine.
Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei wenigstens einem der Kommutierungsschritte die Spulenanordnung derart angesteuert wird, dass auf den Rotor eine Kraft ausgeübt wird, die der Antriebsrichtung entgegengesetzt ist.This object is achieved in the method of the aforementioned type according to the invention that at least one of the commutation steps, the coil assembly is driven such that a force is applied to the rotor, which is opposite to the drive direction.
Der Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, dass durch die Kraft, die auf den Rotor ausgeübt wird und der Antriebsrichtung des Rotors entgegengesetzt ist bzw. durch das magnetische Feld, das eine Kraft entgegen der Antriebskraft erzeugt, eine Schwächung der elektromotorischen Kraft der elektrischen Maschine bewirkt wird, ohne dass die elektrische Maschine bzw. die Spulenanordnung der elektrischen Maschine konstruktiv für eine Feldschwächung vorgesehen sein muss und ohne dass die Spulenanordnung bzw. die rotierenden Komponenten der elektrischen Maschine mechanisch umgeschaltet werden müssen. Mit anderen Worten wird bei einem der Kommutierungsschritte ein magnetischer Fluss erzeugt, der dem magnetischen Fluss im Normalbetrieb entgegengesetzt ist, wodurch der durchschnittliche magnetische Fluss, der auf den Rotor wirkt bzw. den Rotor durchsetzt, zwar positiv, jedoch gegenüber dem Normalbetrieb reduziert bzw. geschwächt ist. Dadurch ist es möglich, auf rein elektronischem Wege, und zwar durch Änderung der Ansteuerung der elektrischen Maschine, eine Feldschwächung bzw. eine Schwächung der elektromotorischen Kraft (EMK-Schwächung) zu erzielen, wodurch auf einfache Weise eine Variation des abgegebenen Drehmomentes und/oder der abgegebenen Drehzahl bewirkt werden kann.The advantage of the present invention is that by the force exerted on the rotor and the driving direction of the rotor is opposite or by the magnetic field which generates a force against the driving force, causes a weakening of the electromotive force of the electric machine is, without the electrical machine or the coil assembly of the electric machine must be designed for a field weakening constructively and without the coil assembly or the rotating components of the electric machine must be mechanically switched. In other words, will during one of the commutation steps generates a magnetic flux which is opposite to the magnetic flux in normal operation, whereby the average magnetic flux acting on the rotor or passes through the rotor, although positive, but reduced or weakened compared to the normal operation. This makes it possible to achieve a field weakening or weakening of the electromotive force (EMF weakening) in a purely electronic way, by changing the control of the electric machine, thereby easily varying the output torque and / or the delivered speed can be effected.
Der elektrische Antrieb kann somit entsprechend der Ansteuerung der Spulenanordnung in unterschiedlichen Betriebsmodi betrieben werden, bei denen unterschiedliche Drehmomente bzw. Drehzahlen realisiert werden können.The electric drive can thus be operated according to the control of the coil assembly in different operating modes in which different torques or speeds can be realized.
Dadurch, dass bei dem wenigstens einen der Kommutierungsschritte eine Kraft entgegen der Antriebsrichtung des Rotors ausgeübt wird, kann durch eine Variation der elektrischen Ansteuerung das abgegebene Drehmoment reduziert werden. Im Ergebnis lässt sich somit elektronisch das Drehmoment und/oder die Drehzahl bei gleicher Strangspannung einstellen und dadurch zum Beispiel die Drehzahlkonstante ändern und eine Getriebecharakteristik nachbilden.The fact that in the at least one of the commutation steps a force is exerted counter to the drive direction of the rotor, the output torque can be reduced by a variation of the electrical control. As a result, the torque and / or the rotational speed can thus be set electronically at the same phase voltage, thereby changing the speed constant, for example, and simulating a transmission characteristic.
Es ist besonders bevorzugt, wenn die Spulenanordnung eine Mehrzahl von Spulensträngen aufweist und durch die Spulenanordnung die Steuerungsanordnung mehrphasig bestromt wird.It is particularly preferred if the coil arrangement has a plurality of coil strands and the control arrangement is energized in a multiphase manner by the coil arrangement.
Dadurch kann eine Mehrphasendrehstrommaschine durch die Steuerungsanordnung bestromt werden und in unterschiedlichen Kommutierungsschritten unterschiedliche Drehzahlen bzw. Drehmomente bereitgestellt werden.As a result, a multi-phase rotary current machine can be energized by the control arrangement and different speeds or torques can be provided in different commutation steps.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn das Verhältnis der Anzahl der Kommutierungsschritte, bei denen die Kraft in der Antriebsrichtung erzeugt wird, zu der Anzahl der Kommutierungsschritte, bei denen die Kraft in der der Antriebsrichtung entgegengesetzten Richtung erzeugt wird, variiert wird.It is further preferred if the ratio of the number of commutation steps in which the force is generated in the drive direction to the number of commutation steps in which the force is generated in the direction opposite to the drive direction is varied.
Dadurch können durch unterschiedliche elektronische Ansteuerungen unterschiedliche Drehmomente bzw. Drehzahlen realisiert werden und im Betrieb auch unter Last das Drehmoment bzw. die Drehzahl variiert werden.As a result, different torques or speeds can be realized by different electronic controls and the torque or speed can be varied during operation even under load.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die elektrische Maschine mit unterschiedlichen Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien mit unterschiedlichen Steigungen betrieben wird, die in Abhängigkeit des Verhältnisses der Kommutierungsschritte in Antriebsrichtung und der Kommutierungsschritte entgegen der Antriebsrichtung eingestellt werden.It is further preferred if the electric machine is operated with different speed-torque characteristics with different slopes, which are adjusted in dependence on the ratio of commutation in the drive direction and the commutation counter to the drive direction.
Die relative Belastung ist hierbei als der Quotient aus der Drehzahldifferenz zwischen Leerlaufdrehzahl n0 und Lastdrehzahl nL einerseits und Leerlaufdrehzahl n0 andererseits, alsooder alternativ als der Quotient aus Lastmoment ML und (bei Sättigung oder Strombegrenzung auf der Kennliniensteigung errechneten) Haltemoment MH, alsoanzusehen.The relative load is here as the quotient of the speed difference between idle speed n 0 and load speed n L on the one hand and idle speed n 0 on the other hand, ie or alternatively as the quotient of load moment M L and (calculated at saturation or current limit on the characteristic slope) holding torque M H , ie to watch.
Dadurch ist durch unterschiedliche elektronische Ansteuerung eine Getriebecharakteristik mit der elektrischen Maschine realisierbar. As a result, a transmission characteristic with the electric machine can be realized by different electronic control.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn der wenigstens eine Spulenstrang oder die Spulenanordnung über eine Mehrzahl von Umdrehungen des Rotors bei wenigstens einem der Kommutierungsschritte entgegen der Antriebsrichtung angesteuert wird.It is further preferred if the at least one coil strand or the coil arrangement is actuated against the drive direction via a plurality of revolutions of the rotor in at least one of the commutation steps.
Dadurch kann eine sehr große Variation von unterschiedlichen Drehzahlen und/oder Drehmomenten bereitgestellt werden.As a result, a very large variation of different speeds and / or torques can be provided.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die Spulenanordnung in einer Folge von Kommutierungsschritten angesteuert wird, wobei bei einem der Kommutierungsschritte eine Kraft entgegen der Antriebsrichtung ausgeübt wird und die Folge von Kommutierungsschritten mehrfach nacheinander ausgeführt wird.It is furthermore preferred if the coil arrangement is controlled in a sequence of commutation steps, wherein in one of the commutation steps a force is exerted counter to the drive direction and the sequence of commutation steps is carried out several times in succession.
Dadurch können bestimmte Drehmomente bzw. Drehzahlen über eine vordefinierte Folge von Kommutierungsschritten eingestellt werden, wodurch die elektrische Ansteuerung vereinfacht wird.As a result, certain torques or speeds can be set via a predefined sequence of commutation steps, which simplifies the electrical actuation.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die Anzahl der Kommutierungsschritte, bei denen eine Kraft entgegen der Antriebsrichtung ausgeübt wird, innerhalb einer Folge von mehreren Kommutierungsschritten in Abhängigkeit der Drehzahl des Rotors begrenzt wird.It is furthermore preferred if the number of commutation steps in which a force is exerted counter to the drive direction is limited within a sequence of a plurality of commutation steps as a function of the rotational speed of the rotor.
Dadurch kann ein Stottern bzw. ein unrundes Laufverhalten des Motors verhindert werden.As a result, a stuttering or a non-round running behavior of the engine can be prevented.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die Spulenanordnung bei wenigstens einem der Kommutierungsschritte einer Umdrehung des Rotors entgegen der Antriebsrichtung angesteuert wird. It is further preferred if the coil arrangement is actuated against the drive direction in at least one of the commutation steps of one revolution of the rotor.
Dadurch kann die Ansteuerung der elektrischen Maschine besonders einfach realisiert werden, da die Ansteuerung bei jeder der Umdrehungen des Motors identisch ist.As a result, the control of the electric machine can be realized particularly easily, since the control is identical in each of the revolutions of the motor.
Weiterhin ist bevorzugt, wenn die Spulenanordnung dreiphasig mit elektrischem Strom versorgt wird.It is further preferred if the coil arrangement is supplied with electrical current in three phases.
Dadurch kann ein Dreiphasenwechselstrommotor bzw. ein Dreiphasenumrichter einer herkömmlichen Art verwendet werden.Thereby, a three-phase AC motor or a three-phase converter of a conventional type can be used.
Es ist schließlich bevorzugt, wenn die Spulenanordnung drei Spulenstränge aufweist, die in einer Sternschaltung oder einer Dreieckschaltung zusammengeschaltet sind.Finally, it is preferred if the coil arrangement has three coil strands which are connected together in a star connection or a delta connection.
Dadurch können herkömmliche Erregerspulensysteme von elektrischen Drehfeldmaschinen verwendet werden.As a result, conventional exciter coil systems of electric induction machines can be used.
Von besonderem Vorteil ist es, eine erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren zum Ansteuern einer elektrischen Maschine in einem Elektrowerkzeug zu verwenden.It is particularly advantageous to use a device according to the invention or the method according to the invention for driving an electrical machine in a power tool.
Dadurch kann bei sich kontinuierlich ändernden notwendigen Drehmomenten, beispielsweise beim Bohren oder Schrauben, das von dem Elektrowerkzeug abgegebene Moment unter Last kontinuierlich verstärkt oder reduziert werden.As a result, with continuously changing necessary torques, for example when drilling or screwing, the torque delivered by the power tool can be continuously increased or reduced under load.
Vorzugsweise ist bei wenigstens einem der Kommutierungsschritte ein Mittelwert der von der Spulenanordnung auf den Rotor ausgeübten elektromotorischen Kraft der Antriebsrichtung der elektrischen Maschine entgegengesetzt.In at least one of the commutation steps, an average value of the electromotive force exerted on the rotor by the coil arrangement is preferably opposite to the drive direction of the electrical machine.
Dadurch kann besonders effizient die elektromotorische Kraft der elektrischen Maschine geschwächt werden, wobei keine besonderen Ansteuerungssequenzen durch die Steuereinheit ausgeführt werden müssen.As a result, the electromotive force of the electric machine can be weakened in a particularly efficient manner, wherein no special control sequences have to be performed by the control unit.
Vorzugsweise ist die elektrische Maschine als elektronisch kommutierbare Gleichstrommaschine ausgebildet.Preferably, the electrical machine is designed as an electronically commutatable DC machine.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are explained in more detail in the following description. Show it:
1 ein Elektrowerkzeug in stark vereinfachter Darstellung als Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens; 1 a power tool in a highly simplified representation as an example of application of the method according to the invention;
2 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebs mit einem Eisenkern und einer Spulenanordnung zum Erzeugen eines magnetischen Drehfeldes; 2 a schematic representation of an electric drive with an iron core and a coil assembly for generating a rotating magnetic field;
3 ein vereinfachtes Schaltbild einer Steuereinheit zum Ansteuern einer Spulenanordnung einer elektronischen kommutierbaren Gleichstrommaschine; 3 a simplified circuit diagram of a control unit for driving a coil assembly of an electronic commutated DC machine;
4 eine schematische Darstellung von sechs Kommutierungsschritten zur Ansteuerung einer elektronischen kommutierbaren Gleichstrommaschine im Normalbetrieb; 4 a schematic representation of six commutation steps for controlling an electronic commutable DC machine in normal operation;
5 eine schematische Darstellung von Kommutierungsschritten zur Ansteuerung einer elektronisch kommutierbaren Gleichstrommaschine im EMK-Schwächungsbetrieb; 5 a schematic representation of commutation steps for controlling an electronically commutated DC machine in the EMF attenuation mode;
6 eine schematische Darstellung einer Variante von sechs Kommutierungsschritten der elektronisch kommutierbaren Gleichstrommaschine im EMK-Schwächungsbetrieb; 6 a schematic representation of a variant of six commutation steps of the electronically commutated DC machine in the EMF attenuation mode;
7a bis c eine vereinfachte schematische Darstellung von unterschiedlichen Kommutierungssequenzen zum Ansteuern der elektronisch kommutierbaren Gleichstrommaschine im EMK-Schwächungsbetrieb; und 7a to c is a simplified schematic representation of different commutation sequences for driving the electronically commutatable DC machine in EMF attenuation mode; and
8 eine idealisierte Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie für zwei verschiedene Ansteuerungszustände. 8th an idealized speed-torque characteristic for two different activation states.
1 zeigt in stark vereinfachter Darstellung ein Elektrowerkzeug, das allgemein mit 10 bezeichnet ist. 1 shows in a very simplified representation of a power tool, which generally with 10 is designated.
1 zeigt beispielhaft eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ansteuern eines Elektromotors bei dem Elektrowerkzeug 10 in Form eines Schraubers. Das Elektrowerkzeug weist ein Futter 12 zur Aufnahme eines Werkzeugs auf, das mit einer Werkzeugspindel 14 verbunden ist. Das Elektrowerkzeug 10 weist einen Motor 16 auf, der zum Antreiben des Futters 12 mit der Spindel 14 verbunden oder verbindbar ist. Der Motor 16 ist mit einem ein- oder mehrstufigen Getriebe 18 gekoppelt, das ggf. auch schaltbar sein kann. Der Motor 16 wird über eine Steuereinheit 20 angesteuert und durch einen Akkumulator 22 mit elektrischer Energie versorgt. 1 shows an example of an application of the method according to the invention for driving an electric motor in the power tool 10 in the form of a screwdriver. The power tool has a lining 12 for receiving a tool that with a tool spindle 14 connected is. The power tool 10 has an engine 16 on to driving the food 12 with the spindle 14 connected or connectable. The motor 16 is with a single or multi-stage gearbox 18 coupled, which may also be switchable if necessary. The motor 16 is via a control unit 20 driven and through an accumulator 22 supplied with electrical energy.
In 2 ist ein elektrischer Antrieb schematisch dargestellt und allgemein mit 30 bezeichnet. Der elektrische Antrieb 30 weist einen Stator 32 und einen Rotor 34 auf. Der Stator 32 weist einen Eisenring 36 mit radialen Eisenkernabschnitten 38 auf, an denen jeweils eine Spule 40 angeordnet ist. Der Stator 32 weist in diesem Fall neun radiale Eisenkernabschnitte 38 auf, an denen jeweils eine der Spulen 40 angeordnet ist. Die Spulen 40 werden über Erregerleitungen 42 mit elektrischer Energie versorgt. Die Spulen sind in der Ausführungsform aus 2 in einer Sternschaltung zusammengeschaltet, wobei jeweils drei der Spulen 40 parallel geschaltet sind und zusammen einen Spulenstrang bilden. Die Erregerleitungen 42 verbinden die Spulen 40 mit drei Phasen U, V, W. Die Spulen 40 erzeugen ein magnetisches Feld 44 bzw. einen magnetischen Fluss ϕ, das bzw. der auf den Rotor 34 wirkt. Das magnetische Feld 44 erzeugt eine Kraft 46, die auf den Rotor 34 wirkt und ihn in einer Antriebsrichtung, die durch einen Pfeil 48 angedeutet ist, antreibt. Die Spulen 40 werden durch die Phasen U, V, W über die Erregerleitungen 42 wechselnd derart angesteuert bzw. bestromt, dass ein rotierendes Drehfeld erzeugt wird, das den permanentmagnetischen Rotor 34 entsprechend antreibt. Der elektrische Antrieb 30 ist in dieser Ausführungsform als elektronisch kommutierbare Gleichstrommaschine mit einem permanetmagnetischen Rotor ausgebildet. Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung auch auf andere Arten von elektrischen Maschinen anwendbar ist, also auf Außenpolmaschinen, Innenpolmaschinen mit permanentmagnetischem Rotor oder Stator und alternativ mit entsprechender elektromagnetischer Erregung insbesondere mit Schleifringläufer, die sowohl als Schenkelpolmaschine als auch als Vollpolmaschine ausgebildet sein können.In 2 is an electric drive shown schematically and generally with 30 designated. The electric drive 30 has a stator 32 and a rotor 34 on. The stator 32 has an iron ring 36 with radial iron core sections 38 on each of which a coil 40 is arranged. The stator 32 in this case has nine radial iron core sections 38 on, on each of which one of the coils 40 is arranged. The spools 40 be via excitation lines 42 supplied with electrical energy. The coils are in the embodiment of 2 interconnected in a star connection, each three of the coils 40 are connected in parallel and together form a coil strand. The excitation lines 42 connect the coils 40 with three phases U, V, W. The coils 40 generate a magnetic field 44 or a magnetic flux φ, the or on the rotor 34 acts. The magnetic field 44 generates a force 46 on the rotor 34 Acts and drives him in an impulse direction by an arrow 48 is indicated, drives. The spools 40 are passed through the phases U, V, W via the excitation lines 42 alternately so driven or energized that a rotating rotating field is generated, which is the permanent magnetic rotor 34 drives accordingly. The electric drive 30 is formed in this embodiment as an electronically commutated DC machine with a permanent magnet rotor. It is understood that the present invention is also applicable to other types of electric machines, so on Außenpolmaschinen, Innenpolmaschinen with permanent magnetic rotor or stator and, alternatively, with appropriate electromagnetic excitation in particular with slip-ring rotor, which can be designed both as Schenkelpolmaschine and as Vollpolmaschine.
3 zeigt in vereinfachter Form eine Steuerungsanordnung zum Ansteuern einer elektrischen Maschine, die allgemein mit 50 bezeichnet ist. Die Steuerungsanordnung 50 ist mit einer schematisch dargestellten Spulenanordnung 52 elektrisch verbunden. Die Steuerungsanordnung 50 ist über drei Erregerleitungen 54 mit der Steuerungsanordnung 50 elektrisch verbunden, um die Steuerungsanordnung 50 dreiphasig mit elektrischem Strom zu versorgen. 3 shows in simplified form a control arrangement for driving an electric machine, which generally with 50 is designated. The control arrangement 50 is with a coil arrangement shown schematically 52 electrically connected. The control arrangement 50 is over three excitation lines 54 with the control arrangement 50 electrically connected to the control system 50 to supply three phases with electricity.
Die Steuerungsanordnung 50 weist eine Gleichspannungsversorgung 56 auf, die als Batterie oder Akkumulator ausgebildet ist. Parallel zu der Gleichspannungsversorgung 56 ist ein Kondensator 58 geschaltet, der als Zwischenkreiskondensator dient. Parallel zu der Gleichspannungsversorgung 56 sind drei Halbbrücken 60 geschaltet, die jeweils zwei steuerbare Schalter 62 und jeweils einen Halbbrückenabgriff 64 aufweisen. Die Halbbrückenabgriffe 64 sind verbunden mit den Erregerleitungen 54.The control arrangement 50 has a DC power supply 56 on, which is designed as a battery or accumulator. Parallel to the DC voltage supply 56 is a capacitor 58 switched, which serves as a DC link capacitor. Parallel to the DC voltage supply 56 are three half bridges 60 each with two controllable switches 62 and one half-bridge tap each 64 exhibit. The half-bridge taps 64 are connected to the excitation lines 54 ,
Durch wechselndes Öffnen und Schließen der steuerbaren Schalter 62 werden die Halbbrückenabgriffe 64 entweder mit einem hohen Spannungspotential der Gleichspannungsquelle 56 oder mit einem niedrigen Spannungspotential der Gleichspannungsquelle 56 verbunden. Dadurch kann die Steuerungsanordnung 50 mit einfachen Mitteln die Steuerungsanordnung 52 dreiphasig mit elektrischer Energie versorgen. Die steuerbaren Schalter 62 sind vorzugsweise als Halbleiterschalter ausgebildet, um hohe Schaltgeschwindigkeiten zu erzielen. Durch die Steuerungsanordnung 50 kann die Spulenanordnung 52 in beliebiger Weise angesteuert werden und in unterschiedlichen Kommutierungsschritten unterschiedlich bestromt werden.By changing the opening and closing of the controllable switches 62 become the half-bridge taps 64 either with a high voltage potential of the DC voltage source 56 or with a low voltage potential of the DC voltage source 56 connected. This allows the control arrangement 50 with simple means the control arrangement 52 Supply three-phase with electrical energy. The controllable switches 62 are preferably designed as semiconductor switches in order to achieve high switching speeds. By the control arrangement 50 can the coil assembly 52 be controlled in any way and are energized differently in different Kommutierungsschritten.
In 4 sind sechs Kommutierungsschritte der elektrischen Maschine 30 dargestellt, wie die Spulenanordnung 50 in einem Normalbetrieb über die Phasen U, V, W angesteuert wird.In 4 are six commutation steps of the electric machine 30 shown as the coil assembly 50 is driven in a normal operation via the phases U, V, W.
Beispielhaft ist hier ein System mit den drei Phasen U, V, W dargestellt mit drei Spulengruppen, die den Polzahlen bzw. der Phasenzahl angepasst sind. Die Spulenanordnung 50 weist dabei drei Spulenstränge L1, L2, L3 auf, die in diesem Beispiel in einer Sternschaltung zusammengeschaltet sind. Die Spulengruppen werden jeweils aus zwei gleichzeitig angesteuerten Spulensträngen L1, L2, L3 gebildet. Je nach Ansteuerung werden somit die Spulengruppen bestehend aus den Spulensträngen L1, L2 oder L2, L3 oder L1, L3 bestromt. Diese Spulengruppen werden auch als Kommutierungsgruppen bezeichnet. Entsprechend werden im Folgenden als erste Spulengruppe die Spulenstränge L1, L2, als zweite Spulengruppe die Spulenstränge L2, L3 und als dritte Spulengruppe die Spulenstränge L1, L3 bezeichnet. Die drei möglichen Spulengruppen bzw. Kommutierungsgruppen können jeweils in zwei Stromrichtungen bestromt werden, wobei eine der Kommutierungsgruppen mit der jeweiligen Stromrichtung als Kommutierungsschritt bezeichnet wird. Es gibt somit bei dem hier beispielhaft dargestellten System sechs Kommutierungsschritte. Die Reihenfolge, in der die sechs Kommutierungsschritte ausgeführt werden, bestimmt eine vollständige Kommutierungssequenz. Üblicherweise werden zunächst die drei Spulengruppen mit einheitlicher Stromrichtung bestromt, wobei durch die Reihenfolge der Kommutierungsschritte die Drehrichtung des Rotors festgelegt wird. Diese drei Kommutierungsgruppen bzw. Kommutierungsschritte entsprechen den Schritten 1 bis 3 aus 4. In derselben Reihenfolge werden dann die Kommutierungsschritte mit entgegengesetzter Stromrichtung ausgeführt. Diese Kommutierungsschritte entsprechen den Schritten 4 bis 6 aus 6. Mit anderen Worten werden zunächst nacheinander die erste Spulengruppe, die zweite Spulengruppe und die dritte Spulengruppe in einer ersten Stromrichtung bestromt und danach die erste Spulengruppe, die zweite Spulengruppe und die dritte Spulengruppe in einer entgegengesetzten Richtung bestromt. Die so beschriebene Sequenz der Kommutierungsschritte wird im Allgemeinen als Normalbetrieb bezeichnet.By way of example, here is a system with the three phases U, V, W shown with three coil groups, which are adapted to the pole numbers or the phase number. The coil arrangement 50 has three coil strands L 1 , L 2 , L 3 , which are interconnected in this example in a star connection. The coil groups are each formed from two simultaneously driven coil strands L 1 , L 2 , L 3 . Depending on the control thus the coil groups are energized consisting of the coil strands L 1 , L 2 or L 2 , L 3 or L 1 , L 3 . These coil groups are also referred to as commutation groups. Correspondingly, the coil strands L 1 , L 2 are referred to below as the first coil group, the coil strands L 2 , L 3 as the second coil group and the coil strands L 1 , L 3 as the third coil group. The three possible coil groups or commutation groups can each be energized in two current directions, one of the commutation groups with the respective current direction being referred to as a commutation step. There are thus six commutation steps in the system exemplified here. The order in which the six commutation steps are performed determines a complete commutation sequence. Usually, first the three coil groups are energized with a uniform current direction, wherein the direction of rotation of the rotor is determined by the order of the commutation steps. These three commutation groups or commutation steps correspond to steps 1 to 3 4 , In the same order, the commutation steps are then carried out with opposite current direction. These commutation steps correspond to steps 4 to 6 6 , In other words, first the first coil group, the second coil group and the third coil group are energized in a first current direction, and then the first coil group, the second coil group and the third coil group are energized in an opposite direction. The sequence of commutation steps thus described is generally referred to as normal operation.
Über die sechs in 4 dargestellten Schritte wird das Magnetfeld 66 in rotierender Form erzeugt, um die elektromotorische Kraft 46 in der Antriebsrichtung 48 auf den Rotor 34 auszuüben und den Rotor 34 in der Antriebsrichtung 48 anzutreiben. Bei dieser sogenannten Blockkommutierung werden entsprechend einer Rotationsstellung des Rotors 34 bestimmte der Spulengruppen bestromt, um das Magnetfeld 44 an bestimmten Winkelpositionen des Stators 32 zu erzeugen und auf den Rotor 34 entsprechend die Kraft 46 auszuüben. Bei dieser Blockkommutierung werden wie oben beschrieben jeweils eine Spulen- bzw. Kommutierungsgruppe jeweils in einer Weise bestromt, dass das Magnetfeld 46 um den Rotor 34 rotiert, um diesen in entsprechender Weise anzutreiben. In 4 sind sechs Kommutierungsschritte dargestellt, und zwar in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Rotors 34. Es versteht sich, dass bei anderen Spulenanordnungen eine andere Anzahl von Kommutierungsschritten möglich ist. Bei den in 4 dargestellten sechs Kommutierungsschritten wird jeweils eine Spulengruppe bestromt, und zwar je nach Schritt, entweder in einer ersten Richtung oder in der entgegengesetzten zweiten Richtung. Mit anderen Worten wird die erste Spulengruppe in Schritt 1 bei 0° in der ersten Richtung bestromt und bei Schritt 4 bei 180° in der entgegengesetzten zweiten Richtung bestromt. Entsprechendes gilt für die Schritte 2 und 5 bzw. 3 und 6. Dieser in 4 dargestellte Normalbetrieb der Ansteuerung der Spulenanordnung 50 erzeugt das rotierende Magnetfeld 44, das auf den Rotor 34 die Kraft 46 ausübt. Bei dem hier dargestellten Normalbetrieb ist die Kraft 46 ausschließlich bzw. bei jedem einzelnen der Kommutierungsschritte überwiegend in der Antriebsrichtung 48 ausgebildet.About the six in 4 The steps shown will be the magnetic field 66 generated in rotating form to the electromotive force 46 in the drive direction 48 on the rotor 34 exercise and the rotor 34 in the drive direction 48 drive. In this so-called block commutation are in accordance with a rotational position of the rotor 34 certain of the coil groups energized to the magnetic field 44 at certain angular positions of the stator 32 to generate and on the rotor 34 according to the force 46 exercise. In this block commutation, as described above, in each case one coil or commutation group is energized in each case in such a way that the magnetic field 46 around the rotor 34 rotated in order to drive this in a corresponding manner. In 4 six commutation steps are shown, depending on the angular position of the rotor 34 , It is understood that in other coil arrangements, a different number of commutation steps is possible. At the in 4 In each case one coil group is energized, depending on the step, either in a first direction or in the opposite second direction. In other words, the first coil group is energized in step 1 at 0 ° in the first direction and energized in step 4 at 180 ° in the opposite second direction. The same applies to the steps 2 and 5 or 3 and 6. This in 4 illustrated normal operation of the control of the coil assembly 50 generates the rotating magnetic field 44 that on the rotor 34 the power 46 exercises. In the normal operation shown here is the force 46 exclusively or with each individual of the commutation steps predominantly in the drive direction 48 educated.
In 5 sind sechs Kommutierungsschritte der elektrischen Maschine für einen EMK-Schwächungsbetrieb dargestellt.In 5 six commutation steps of the electric machine for an EMF attenuation operation are shown.
Die Darstellung entspricht im Wesentlichen der Darstellung aus 4. Gleiche Elemente sind hier beispielhaft mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet, wobei hier lediglich die Unterschiede erläutert werden. Die Schritte 1 bis 5 der Kommutierungssequenz aus 5 sind identisch mit den entsprechenden Schritten des Normalbetriebs, der in 4 dargestellt ist. In Schritt 6 wird die Spulenanordnung 50 derart bestromt, dass lediglich die dritte Spulengruppe bestehend aus den Spulensträngen L1 und L3 angesteuert wird, so dass das Magnetfeld 44 in derselben Richtung wie in Schritt 3 bei einer 120°-Rotorstellung ausgerichtet ist. Das bedeutet, dass die Spulenstränge L1 und L3 in diesem Kommutierungsschritt entgegen der Richtung bestromt werden, wie es im Normalbetrieb üblich ist. Das bedeutet, dass das Magnetfeld 44 in diesem Kommutierungsschritt eine Kraft auf den Rotor 34 ausübt, die der Kraft 46, also der Antriebsrichtung 48, entgegengesetzt ist. Mit anderen Worten ist die Kraft, die im Schritt 6 aus 5 auf den Rotor 34 ausgeübt wird, der Antriebsrichtung 48 grundsätzlich entgegengerichtet. Dadurch wird in diesem Kommutierungsschritt die elektromotorische Kraft, die über die gesamte Kommutierungssequenz auf den Rotor 34 ausgeübt wird, geschwächt, da das Magnetfeld 44 der Antriebsrichtung grundsätzlich entgegengerichtet ist.The presentation essentially corresponds to the presentation from 4 , The same elements are designated here by way of example with the same reference numerals, in which case only the differences will be explained. Steps 1 to 5 of the commutation sequence 5 are identical to the corresponding steps of normal operation in 4 is shown. In step 6, the coil assembly 50 energized such that only the third coil group is driven consisting of the coil strands L 1 and L 3 , so that the magnetic field 44 is aligned in the same direction as in step 3 at a 120 ° rotor position. This means that the coil strands L 1 and L 3 are energized in this commutation against the direction, as is usual in normal operation. That means the magnetic field 44 in this commutation step, a force on the rotor 34 who exercises the power 46 , so the drive direction 48 , is opposite. In other words, the force in step 6 is off 5 on the rotor 34 is exercised, the drive direction 48 basically in the opposite direction. As a result, in this commutation step, the electromotive force is applied to the rotor over the entire commutation sequence 34 is exercised, weakened as the magnetic field 44 the drive direction is basically opposite.
In 6 ist eine alternative Kommutierungssequenz des elektrischen Antriebs 30 für einen EMK-Schwächungsbetrieb dargestellt. Die Darstellung entspricht den Darstellungen aus 4 und 5. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugsziffern beispielhaft bezeichnet, wobei hier lediglich die Besonderheiten bzw. Unterschiede dargelegt werden.In 6 is an alternative commutation sequence of the electric drive 30 for an EMF attenuation mode. The representation corresponds to the illustrations from 4 and 5 , Identical elements are designated by the same reference numerals by way of example, with only the peculiarities or differences being set forth here.
Die Schritte 1 bis 5 in 6 sind identisch mit den entsprechenden Kommutierungsschritten aus den 4 und 5. In Schritt 6 wird die Spulenanordnung 50 derart angesteuert, dass die zweite Spulengruppe bestehend aus den Spulensträngen L2 und L3 bestromt werden. Diese Ansteuerung entspricht der Ansteuerung des Schritts 2 für eine Rotorstellung von 60° im Normalbetrieb. Das Magnetfeld 44 ist somit in diesem Schritt 6 teilweise in entgegengesetzter Richtung ausgerichtet als es für diese Rotorstellung von 300° im Normalbetrieb üblich ist. Das bedeutet, dass das Magnetfeld 44, das von dem Spulenstrang L3 erzeugt wird, entgegen dem Magnetfeld 44 ausgerichtet ist, das im Normalbetrieb üblich wäre. In diesem Fall wird der Spulenstrang L1 gar nicht bestromt und der Spulenstrang L2 in einer Richtung, die dem entsprechenden Magnetfeld 44 aus Schritt 1 oder Schritt 2 gleicht. Im Ergebnis bedeutet das, dass das Magnetfeld 44, das von dem Spulenstrang L3 erzeugt wird, eine Kraft auf den Rotor 34 ausübt, die der Kraft 46 entgegengerichtet ist. Das bedeutet, dass die in diesem Schritt vom Spulenstrang L3 ausgeübte Kraft der Antriebsrichtung 48 entgegengerichtet ist und somit eine EMK-Schwächung, das heißt eine Schwächung der elektromotorischen Kraft bewirkt. Ferner wird von dem Magnetfeld 44, das von dem Spulenstrang L2 erzeugt wird, keine Kraft auf den Rotor 34 ausgeübt. Im Ergebnis kann durch eine derartige Ansteuerung eine Schwächung der elektromotorischen Kraft in diesem einen Kommutierungsschritt bewirkt werden, die geringer ist als die Schwächung der elektromotorischen Kraft aus Schritt 6, der in 5 dargestellt ist. Dadurch kann eine Variante der Ansteuerung und eine Variante der Schwächung der elektromotorischen Kraft bereitgestellt werden.Steps 1 to 5 in 6 are identical to the corresponding Kommutierungsschritten from the 4 and 5 , In step 6, the coil assembly 50 triggered such that the second coil group consisting of the coil strands L 2 and L 3 are energized. This control corresponds to the control of step 2 for a rotor position of 60 ° in normal operation. The magnetic field 44 is thus partially aligned in this step 6 in the opposite direction than is usual for this rotor position of 300 ° in normal operation. That means the magnetic field 44 , which is generated by the coil strand L 3 , against the magnetic field 44 aligned, which would be common in normal operation. In this case, the coil strand L 1 is not energized and the coil strand L 2 in a direction corresponding to the corresponding magnetic field 44 from step 1 or step 2. As a result, that means the magnetic field 44 , which is generated by the coil strand L 3 , a force on the rotor 34 who exercises the power 46 is opposite. This means that the force exerted by the coil strand L 3 in this step force of the drive direction 48 is opposite and thus causes an EMF weakening, that is, a weakening of the electromotive force. Further, from the magnetic field 44 , which is generated by the coil strand L 2 , no force on the rotor 34 exercised. As a result, such a drive can cause a weakening of the electromotive force in this one commutation step, which is less than the weakening of the electromotive force from step 6, which occurs in FIG 5 is shown. As a result, a variant of the control and a variant of the weakening of the electromotive force can be provided.
Es versteht sich, dass die Kommutierungsschritte für den Normalbetrieb und den Schwächungsbetrieb gemäß Schritt 6 aus 5 und dem Schritt 6 aus 6 in beliebiger Weise über eine oder mehrere Kommutierungssequenzen kombiniert werden können, um somit eine beliebige elektromotorische Kraft auf den Rotor 34 auszuüben. Grundsätzlich sollte dabei die Kraft 46, die in der Antriebsrichtung 48 auf den Rotor 34 ausgeübt wird, im Mittel größer sein als die Kraft, die der Antriebsrichtung 48 entgegengerichtet ist, damit der Rotor 34 in der Antriebsrichtung 48 rotiert. Da die Kraft, die der Antriebsrichtung 48 entgegengerichtet ist, grundsätzlich eine Abbremsung des Rotors 34 bzw. eine Reduzierung der Rotation des Rotors 34 bewirkt, muss die Anzahl derartiger Kommutierungsschritte im Schwächungsbetrieb an die Drehzahl des Rotors 34 angepasst werden, um eine entsprechende Laufruhe des elektrischen Antriebs 30 zu gewährleisten bzw. um ein Stottern bzw. ein unrundes Laufverhalten des Motors 30 zu vermeiden. It is understood that the commutation steps for the normal operation and the weakening operation according to step 6 5 and step 6 6 can be combined in any way via one or more commutation sequences, thus any electromotive force on the rotor 34 exercise. Basically, it should have the power 46 in the drive direction 48 on the rotor 34 is applied, on average, be greater than the force of the drive direction 48 is opposite, so the rotor 34 in the drive direction 48 rotates. Because the force, the drive direction 48 is opposite, in principle, a deceleration of the rotor 34 or a reduction in the rotation of the rotor 34 causes the number of such commutation steps in the attenuation mode to the speed of the rotor 34 be adapted to a corresponding smoothness of the electric drive 30 to ensure or a stuttering or a non-round running behavior of the engine 30 to avoid.
Die Spulen 40 erzeugen in den Eisenkernabschnitten 38 und dem Eisenring 36 einen magnetischen Fluss ϕ, der auch entsprechend den Rotor 34 durchsetzt. Sofern der magnetische Fluss bei wenigstens einem der Kommutierungsschritte in eine Richtung gerichtet ist, sodass eine Kraft entgegen der Antriebsrichtung ausgeübt wird, reduziert sich der effektive magnetische Fluss, der zum Antreiben des elektrischen Antriebs 30 dient. Mit anderen Worten nimmt der Durchschnittswert des magnetischen Flusses ϕ über eine bestimmte Anzahl von Kummutierungsschritten ab, wodurch eine effektive Feldschwächung erzielt wird. Das abgegebene Drehmoment M des elektrischen Antriebs 30 ist direkt proportional zu dem effektiven magnetischen Fluss ϕ und die Leerlaufdrehzahl n0 ist umgekehrt proportional zu dem effektiven Fluss ϕ. Aus diesem Grund kann das Drehmoment M und die Leerlaufdrehzahl n0 durch Veränderung des magnetischen Flusses ϕ verändert werden. Durch Umschalten der Spulen 40 in einem der Kommutierungsschritte bzw. durch Erzeugen eines magnetischen Flusses, der im Prinzip der Antriebsrichtung des elektrischen Antriebs 30 entgegengesetzt ist, kann somit durch die Feldschwächung ein Umschalten zwischen unterschiedlichen Drehmomenten und Drehzahlen erzielt werden.The spools 40 generate in the iron core sections 38 and the iron ring 36 a magnetic flux φ, which also corresponds to the rotor 34 interspersed. If the magnetic flux in at least one of the commutation steps is directed in one direction, so that a force is exerted counter to the drive direction, the effective magnetic flux which is used to drive the electric drive is reduced 30 serves. In other words, the average value of the magnetic flux φ decreases over a certain number of accumulation steps, thereby achieving effective field weakening. The output torque M of the electric drive 30 is directly proportional to the effective magnetic flux φ and the idle speed n 0 is inversely proportional to the effective flux φ. For this reason, the torque M and the idling speed n 0 can be changed by changing the magnetic flux φ. By switching the coils 40 in one of the commutation steps or by generating a magnetic flux, in principle, the drive direction of the electric drive 30 is opposite, thus switching between different torques and speeds can be achieved by the field weakening.
In 7 sind unterschiedliche Kommutierungssequenzen im Schwächungsbetrieb schematisch dargestellt.In 7 different commutation sequences in the attenuation mode are shown schematically.
In 7a ist eine Kommutierungssequenz von sechs aufeinanderfolgenden Kommutierungsschritten dargestellt, die die Kommutierungsschritte über eine Umdrehung des Rotors 34 des elektrischen Antriebs 30 darstellen. Dabei ist das Magnetfeld 44 entsprechend seiner Ausrichtung in der Antriebsrichtung 48 als nach oben gerichteter Pfeil dargestellt oder aber in einer der Antriebsrichtung 48 entgegengesetzten Richtung als Pfeil nach unten dargestellt. In 7a ist demnach eine Kommutierungssequenz dargestellt, bei der das Magnetfeld 44 bei den Kommutierungsschritten 1, 2, 4 und 5 die Kraft 46 in der Antriebsrichtung 48 ausübt und wobei das Magnetfeld 44 bei den Kommutierungsschritten 3 und 6 gegenüber dem Normalzustand umgepolt ist, so dass eine Kraft entgegen der Antriebsrichtung 48 ausgeübt wird. Bei der Kommutierungssequenz aus 7a ist die Polung des Magnetfelds 44 für die erste Halbwelle, also für die Schritte 1 bis 3, identisch mit der zweiten Halbwelle, also den Schritten 4 bis 6. Dadurch entsteht ein symmetrisches elliptisches Drehfeld. Im Mittelwert ist die auf den Rotor 34 ausgeübte Kraft 46 positiv bzw. in der Antriebsrichtung 48 gerichtet.In 7a is shown a commutation sequence of six consecutive commutation steps, the commutation steps over a revolution of the rotor 34 of the electric drive 30 represent. Here is the magnetic field 44 according to its orientation in the drive direction 48 shown as an upward arrow or in one of the drive direction 48 opposite direction shown as an arrow down. In 7a Accordingly, a commutation sequence is shown in which the magnetic field 44 at the commutation steps 1, 2, 4 and 5 the force 46 in the drive direction 48 exerts and the magnetic field 44 is reversed in the commutation steps 3 and 6 with respect to the normal state, so that a force against the drive direction 48 is exercised. At the commutation sequence off 7a is the polarity of the magnetic field 44 for the first half-wave, that is for the steps 1 to 3, identical to the second half-wave, ie the steps 4 to 6. This creates a symmetrical elliptical rotating field. On average, that is on the rotor 34 applied force 46 positive or in the drive direction 48 directed.
In 7b ist eine weitere Kommutierungssequenz dargestellt, bei der das Magnetfeld 44 bei den Kommutierungsschritten 1 bis 5 die Kraft 46 in der Antriebsrichtung 48 ausübt, also entsprechend dem Normalbetrieb ausgerichtet ist. Bei dem Kommutierungsschritt 6 ist das Magnetfeld 44 entgegen der Richtung des Normalbetriebs ausgerichtet, so dass eine Kraft entgegen der Antriebsrichtung 48 ausgeübt wird. Bei dieser Kommutierungssequenz ist die Polung des Magnetfelds 44 in der ersten Halbwelle nicht identisch ausgerichtet wie in der zweiten Halbwelle, so dass ein asymmetrisches elliptisches Drehfeld entsteht. Der Mittelwert der ausgeübten Kraft 46 ist positiv, also in der Antriebsrichtung 48, gerichtet.In 7b is shown another commutation sequence in which the magnetic field 44 in the commutation steps 1 to 5 the force 46 in the drive direction 48 exercises, that is aligned according to the normal operation. In the commutation step 6, the magnetic field 44 aligned against the direction of normal operation, so that a force against the drive direction 48 is exercised. In this commutation sequence is the polarity of the magnetic field 44 not aligned identically in the first half-wave as in the second half-wave, so that an asymmetrical elliptical rotating field is created. The mean of the applied force 46 is positive, so in the drive direction 48 , directed.
In 7c ist eine Folge von Kommutierungsschritten dargestellt, die aus zwölf aufeinanderfolgenden einzelnen Kommutierungsschritten gebildet ist. Die Folge ist in 7c allgemein mit 68 bezeichnet. Die Kommutierungsfolge 68 ist aus zwei Kommutierungssequenzen für jeweils eine Umdrehung des Rotors 34 gebildet. Bei dieser Kommutierungsfolge 68 sind elf aufeinanderfolgende Kommutierungsschritte gemäß dem Normalbetrieb vorgesehen. Mit anderen Worten ist das Magnetfeld 44 bei den elf aufeinanderfolgenden Kommutierungsschritten derart ausgerichtet, dass die Kraft 46 in der Antriebsrichtung 48 ausgeübt wird. Bei der Kommutierungsfolge 68 aus 7c ist das Magnetfeld 44 bei dem Kommutierungsschritt 12 entgegen dem Normalbetrieb ausgerichtet, das heißt, dass eine Kraft entgegen der Antriebsrichtung 48 ausgeübt wird. Die Kommutierungsfolge 68 ist folglich aus zwei aufeinanderfolgenden unterschiedlichen Kommutierungssequenzen für jeweils eine Umdrehung des Rotors 34 gebildet. Wie in 7c angedeutet ist, wird die Kommutierungsfolge 68 regelmäßig wiederholt, um eine entsprechende EMK-Schwächung zu bewirken.In 7c a sequence of commutation steps is shown, which consists of twelve consecutive individual commutation steps. The episode is in 7c generally with 68 designated. The commutation sequence 68 is composed of two commutation sequences for each one revolution of the rotor 34 educated. In this commutation sequence 68 are provided eleven consecutive Kommutierungsschritte according to the normal operation. In other words, the magnetic field 44 in the eleven successive Kommutierungsschritten aligned such that the force 46 in the drive direction 48 is exercised. At the commutation sequence 68 out 7c is the magnetic field 44 at the commutation step 12 aligned against normal operation, that is, a force against the drive direction 48 is exercised. The commutation sequence 68 is thus of two consecutive different commutation sequences for each one revolution of the rotor 34 educated. As in 7c is indicated, the Kommutierungsfolge 68 regularly repeated to cause a corresponding EMF weakening.
Es versteht sich, dass auch Kommutierungsfolgen realisierbar sind, die nicht über eine ganzzahlige Anzahl von Umdrehungen des Rotors 34 gebildet sind. Derartige Kommutierungsfolgen können demnach aus einer Anzahl von Kommutierungsschritten gebildet sein, die nicht ganzzahlig durch die Anzahl der Kommutierungsschritte einer Umdrehung des Rotors 34 teilbar sind. Als Beispiel sei genannt, dass in einer Ausführungsform die Kommutierungsschritte 1 bis 9 entsprechend dem Normalbetrieb ausgebildet sind und der Kommutierungsschritt 10 entsprechend dem EMK-Schwächungsbetrieb bzw. entgegen dem Normalbetrieb ausgebildet sind. Auf den zehnten Kommutierungsschritt folgt in dieser Ausführungsform dann wieder der erste Kommutierungsschritt dieser speziellen Kommutierungsfolge.It goes without saying that commutation sequences can also be realized that do not have an integral number of revolutions of the rotor 34 are formed. Such Kommutierungsfolgen can therefore be formed from a number of commutation steps that are not integer by the number of commutation steps of one revolution of the rotor 34 are divisible. As an example may be mentioned that in one embodiment, the commutation steps 1 to 9 are formed according to the normal operation and the commutation step 10 are formed according to the EMF weakening operation or contrary to normal operation. The tenth commutation step is then followed in this embodiment by the first commutation step of this particular commutation sequence.
Auf diese Weise kann nahezu eine beliebige Anzahl von unterschiedlich starken EMK-Schwächungen des elektrischen Antriebs 30 durch unterschiedliche elektronische Ansteuerung der Spulenanordnung 50 realisiert werden.In this way, almost any number of different levels of EMF attenuation of the electric drive 30 by different electronic control of the coil arrangement 50 will be realized.
Es versteht sich, dass in den Kommutierungsfolgen 68 bzw. Kommutierungssequenzen aus 7a bis c alle in den 4 bis 6 beschriebene Kommutierungszustände bzw. Ansteuerungen kombinierbar sind, um eine beliebige EMK-Schwächung zu bewirken.It is understood that in the Kommutierungsfolgen 68 or commutation sequences 7a to c all in the 4 to 6 described Kommutierungszustände or controls are combined to effect any EMF attenuation.
In 8 sind beispielhaft Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien eines Elektromotors dargestellt. Auf der Ordinate 70 ist dabei die Drehzahl n aufgetragen. Die Abszisse 72 zeigt dagegen Werte des Drehmoments M.In 8th exemplary speed-torque characteristics of an electric motor are shown. On the ordinate 70 while the speed n is plotted. The abscissa 72 on the other hand shows values of the torque M.
Mit 74, 76, 78 sind verschiedene Drehzahl-Drehmoment-Verläufe idealisiert aufgetragen und die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie 74 stellt beispielhaft einen n(M)-Verlauf eines typischen elektronisch kommutierten Gleichstrommotors dar. Der elektrische Antrieb 30 kann erfindungsgemäß in unterschiedlichen Zuständen betrieben werden, die etwa mit einer Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie 74 als auch mit einer Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie 78 beschrieben werden kann. Dabei wird durch die unterschiedlichen Drehmomente M bei unterschiedlichen Drehzahlen n eine einem Schaltgetriebe ähnliche Funktionalität bewirkt. In 8 sind hier lediglich die beiden Kennlinien 74, 78 als mögliche Kennlinien des elektrischen Antriebs 30 dargestellt, wobei jedoch wie zuvor beschrieben eine Vielzahl von Kennlinien mit unterschiedlichen Steigungen realisierbar sind.With 74 . 76 . 78 various speed-torque curves are ideally plotted and the speed-torque curve 74 exemplifies an n (M) run of a typical electronically commutated DC motor. The electric drive 30 can be operated according to the invention in different states, such as with a speed-torque curve 74 as well as with a speed-torque characteristic 78 can be described. It is caused by the different torques M at different speeds n a functionality similar to a manual transmission. In 8th Here are just the two characteristics 74 . 78 as possible characteristics of the electric drive 30 illustrated, however, as described above, a plurality of characteristics with different slopes are feasible.
Die Kennlinie 74 ist charakterisiert durch ein Haltemoment 80 und eine Leerlaufdrehzahl 82. Demgegenüber kann der Antrieb 30 in einem weiteren Zustand betrieben werden, der durch die Kennlinie 78 beschrieben wird, als wäre ein Übersetzungsgetriebe mit einem Übersetzungsfaktor i = 2 zwischengeschaltet. Die Kennlinie 78 ist charakterisiert durch ein Haltemoment 84 und eine Leerlaufdrehzahl 86.The characteristic 74 is characterized by a holding moment 80 and an idle speed 82 , In contrast, the drive 30 be operated in a further state, by the characteristic 78 is described as if a transmission gear with a ratio factor i = 2 interposed. The characteristic 78 is characterized by a holding moment 84 and an idle speed 86 ,
Die entsprechenden Kennlinien 74, 78 sind in dieser Form mit unterschiedlichen Steigungen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren realisierbar, da die Leerlaufdrehzahl n0 umgekehrt proportional zum wirksamen magnetischen Fluss ϕ ist und das Haltemoment entsprechend proportional zum wirksamen magnetischen Fluss ϕ ist. Der wirksame magnetische Fluss ϕ ist im zuvor beschriebenen EMK-Schwächungsbetrieb jedoch im Mittel über eine oder mehrere Umdrehungen des Rotors 34 unterschiedlich einstellbar, so dass entsprechend unterschiedliche Leerlaufdrehzahlen n0 und Haltemomente MH durch das erfindungsgemäße Verfahren einstellbar sind.The corresponding characteristics 74 . 78 are feasible in this form with different slopes according to the inventive method, since the idle speed n 0 is inversely proportional to the effective magnetic flux φ and the holding torque is correspondingly proportional to the effective magnetic flux φ. However, the effective magnetic flux φ is in the above-described EMF attenuation mode on average over one or more revolutions of the rotor 34 differently adjustable, so that correspondingly different idle speeds n 0 and holding moments M H are adjustable by the inventive method.
Es ist in 8 ersichtlich, dass in dem gewählten Beispiel die Leerlaufdrehzahl 86 etwa doppelt so groß ist wie die Leerlaufdrehzahl 82. Im Gegensatz dazu beträgt das Haltemoment 84 entsprechend der Kennlinie 78 die Hälfte des Haltemoments 80 der Kennlinie 74. Isoliert betrachtet ist dabei der Quotient des Haltemoments 80 und des Haltemoments 84 umgekehrt proportional zum Quotienten der Leerlaufdrehzahl 82 und der Leerlaufdrehzahl 86. Mit Ziffer 88 ist der Schnittpunkt der beiden Kennlinien 74, 78 angegeben. Erfolgt an diesem Punkt eine Umschaltung zwischen den beiden Kennlinien, so ist dies für den Benutzer völlig unmerklich. Ausgehend von dort kann dann entweder auf der Kennlinie 74 oder 78 weitergefahren werden. Ausgehend davon, dass eine Vielzahl von unterschiedlichen Schwächungsfaktoren bzw. EMK-Schwächungen und den damit verbundenen unterschiedlichen Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien mit unterschiedlichen Steigungen realisierbar sind, und der Idee, dass in einem jeweiligen Schnittpunkt von zwei Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien umgeschaltet wird, lässt sich ein zwar abschnittsweise lineares Übersetzungsverhältnis realisieren, das jedoch durch die Vielzahl von unterschiedlichen Steigungen scheinbar eine kontinuierliche Änderung des Übersetzungsverhältnisses darstellt. Zum Vergleich ist mit 76 eine weitere Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie angedeutet, die gemäß dem Stand der Technik etwa gemäß der DE 10 2007 040 725 A1 ausgehend von der Kennlinie 74 bewirkt werden kann.It is in 8th It can be seen that in the example chosen, the idle speed 86 about twice the idle speed 82 , In contrast, the holding torque is 84 according to the characteristic 78 half of the holding moment 80 the characteristic 74 , In isolation, the quotient of the holding moment is considered 80 and the holding moment 84 inversely proportional to the quotient of the idle speed 82 and the idle speed 86 , With numeral 88 is the intersection of the two curves 74 . 78 specified. If at this point a switchover between the two characteristics, this is completely unnoticeable to the user. Starting from there can then either on the characteristic curve 74 or 78 continue to be driven. Assuming that a plurality of different attenuation factors or EMF weakenings and the associated different speed-torque characteristics can be realized with different slopes, and the idea that is switched at a respective intersection of two speed-torque characteristics leaves Although a sectionally linear transmission ratio can be realized, which, however, due to the multiplicity of different gradients, appears to represent a continuous change of the transmission ratio. For comparison is with 76 a further speed-torque characteristic indicated, which according to the prior art as in accordance with DE 10 2007 040 725 A1 starting from the characteristic curve 74 can be effected.
Dabei kann der Übergang von der Kennlinie 74 auf die Kennlinie 76 zum Beispiel durch Abschalten von Teilspulen realisiert werden. Die sich ergebende Kennlinie 76 kann nicht wie etwa die Kennlinie 78 unter Beibehaltung der umgekehrten Proportionalität der jeweiligen Quotienten aus Leerlaufdrehzahl n0 und Haltemoment MH abgeleitet werden.In this case, the transition from the characteristic curve 74 on the characteristic 76 For example, be realized by switching off partial coils. The resulting characteristic 76 can not like the characteristic 78 while maintaining the inverse proportionality of the respective quotients of idle speed n 0 and holding torque M H are derived.
Vorzugsweise ist die Leistungsabgabe des elektrischen Antriebs 30 im Zustand der Kennlinie 74 oder der Kennlinie 78 im Wesentlichen gleich, da das Produkt n·M in beiden Kennlinien identisch ist. Diese abgegebene Leistung ist unter Vernachlässigung von Eisen- und Reibverlusten, also unter ausschließlicher Berücksichtigung von Ohmschen Verlusten im Wesentlichen gleich sofern die relative Belastung identisch ist.Preferably, the power output of the electric drive 30 in the state of the characteristic 74 or the characteristic 78 essentially the same, since the product n × M is identical in both characteristic curves. This power is neglected by Iron and friction losses, ie, taking into account Ohmic losses substantially equal if the relative load is identical.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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DE 102010040725 A1 [0005] DE 102010040725 A1 [0005]
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DE 102006036986 A1 [0008] DE 102006036986 A1 [0008]
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DE 102007040725 A1 [0075] DE 102007040725 A1 [0075]
