DE102014010769A1

DE102014010769A1 - Steuerelektronik zur automatischen Kommutierung kollektorloser Gleichstrommotoren, die hauptsächlich mit Magnetrotor und Hallsensor (Hallschalter) ausgestattet sind.

Info

Publication number: DE102014010769A1
Application number: DE102014010769.8A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-07-22
Filing date: 2014-07-22
Publication date: 2016-01-28
Anticipated expiration: 2034-07-23
Also published as: DE102014010769B4

Abstract

Die Erfindung hat die Bezeichnung „Steuerelektronik zur automatischen Kommutierung kollektorloser Gleichstrommotoren”. Es wird anhand des Schaltbildes Steuerelektronik Gleichstrommotor, 1, im Folgenden die einfache Steuerelektronik erklärt. Die Einschaltung des Motors erfolgt durch das Einschalten der Stromversorgungen V1 und V2 für die Steuerelektronik, die den Motor einschaltet. Ist der Motor ausgeschaltet, fließt aus beiden Stromquellen aufgrund der Ausführung der Steuerelektronik, wodurch die MOSFET-Schalttransistoren gesperrt sind, von Drain zu Souce jeweils ein sehr kleiner, nicht messbarer Strom. Bei Verwendung von Akkus als Stromquellen werden diese nicht entladen. Ein Hallschalter wird, je nachdem welche Polarität (Nord- oder Südpol) er von einem Magnet des Rotors erhält, leitend oder gesperrt. Angenommen, der Hallschalter ist nicht leitend. In der Steuerelektronik fließt der Strom über die Leuchtdiode LD. Wodurch der Optokoppler O2 den MFET1 einschaltet, und dadurch der Strom aus der Stromquelle V1 durch die Motorspulen fließen kann. Wird der Hallschalter leitend, so wird der Stromfluss in der LD gesperrt, und der Optokoppler O1 schaltet den MFET2 ein. Wodurch die Stromquelle V2 den Strom in umgekehrter Richtung für die Motorspulen liefert. Es erfolgt hiermit eine selbststeuernde, vom Hallschalter abhängige Kommutierung. Die übliche zur Kommutierung verwendete H-Schaltung hat die Nachteile, dass die Transistoren nicht voll durchschalten, dadurch Verlustleistung entsteht, warm werden und bei langsamen Motorlauf sogar zerstört werden können, Was mit dieser Ausführung der Kommutierung nicht eintritt, weil die Transistoren voll durchschalten können.

Description

Die Erfindung hat die Bezeichnung „Steuerelektronik zur automatischen Kommutierung kollektorloser Gleichsrommotoren”, die hauptsächlich mit Magnetrotor und Hallsensor (Hallschalter) ausgestattet sind.
Das Prinzip besteht darin, dass die Motorspulen von 2 völlig getrennten Stromquellen den Strom mit passender Richtung wechselweise in Abhängigkeit von einem Hallschalter (Hallsensor), der die Magnetpolung abfragt, erhalten. Wobei mit zwei Leistungs-Feldeffekt-Transistoren verlustleistungfrei die getrennten Stromquellen abwechselnd, automatisch an die Motorspulen geschaltet werden.
Motorausführung
Der Motor ist als Funktionsmodell ausgeführt und dient im Gesamtsystem zur Nachweisführung der oben genannten Steuerelektronik zur automatischen Kommutierung kollektorloser Gleichstrommotoren.
Der Motor besteht aus den Komponenten: 6 Eisenkernen mit 6 Motorspulen, 2, einen Rotor mit 6 Magneten, 3, und einen Hallschalter, 4.
Die Eisenkerne wurden aus genormten Trafoblechen hergestellt. Die U-Form ermöglicht die Aufnahme der Motorspulen und ergibt einen Luftspalt, in der die Magnete des Rotors sich hindurch drehen können. Der Rotor besteht aus einer Plexiglas-Scheibe, an dessen Umfang 6 Magnete, mit abwechselnder Polarität versenkt eingeklebt sind. Die auf einer Sechseckseite, an der auf der Plexiglas-Scheibe eingezeichneten Sechseckes, in der Mitte anliegen. Siehe Zeichnung, Motor-Komponenten.
Die Magnete sind Betaflex-Magnete (Gummimagnete) die in der Breite zugeschnitten wurden. Aufgrund der Herstellerangaben konnte die Windungszahl für die Motorspulen dazu passend berechnet werden.
Bevor die Eisenkerne befestigt wurden, wurde der Vorgang zur Reduzierung der magnetischen Anziehungskräfte, die im Luftspalt zwischen Eisen und Magnet auftreten, durchgeführt. Siehe hierzu die Zeichnung „Ruhelage der 6 Magnete des Rotors in den Luftspalten der Eisenkerne”, 4, mit dazugehörender Beschreibung. Es ragen die Hälfte der Magnete an einem Ende der Luftspalten entgegengesetzt zur anderen Hälfte heraus. Bei dem Motorlauf werden 3 Magnete in den Luftspalt hineingezogen und 3 Magnete herausgestoßen, wobei die Drehrichtung durch die Stromrichtung für die Motorspulen wählbar ist.
Der Hallschallter ist für seine Aufgabe im Gesamtsystem passend über einen aus den Luftspalt herausragenden Magneten positioniert, er wurde mit einem Winkel an der Grundplatte befestigt.
Beschreibung, Ruhelage der 6 Magnete des Rotors in den Luftspalten der Eisenkerne, sowie Vorgang zur Minimierung der Magnetkräfte, die im Luftspalt der Eisenkerne auftreten
Allgemeines
Im Ruhezustand des Motors sollten theoretisch alle 6 Magnete genau in der Mitte im Luftspalt der Eisenkerne stehen. Dadurch wurden sich die magnetischen Anziehungskräfte aufheben. Die Haltekraft wäre nahezu Null und der Rotor ohne Widerstand leichtgängig.
Die Abhilfe für das Problem der magnetischen Haltekräfte, die in den Luftspalten der Eisenkerne im Ruhezustand auftreten und den Motoranlauf erschweren, wird in dem Folgenden dargestellt.
Die Eisenkerne, die in der Ruhelage alle anziehend auf die Magnete einwirken, wurden so angeordnet, dass sich diese Magnet-Haltekräfte größtenteils aufheben können. In der Zeichnung, Ruhelage der Magnete in den 6 Eisenkernen, ist die Eisenkern-Anordnung als Beispiel dargestellt. Es wird gezeigt, dass von den Hälften der Eisenkerne die Magnete mit ihrer Seitenlänge entgegengesetzt aus deren Luftspalten herausragen. Betrachtet man nur 2 gegensätzlich stehende, aus den Luftspalten der Eisenkerne herausragende Magnete, so zeigt sich Folgendes: Wenn ein Magnet vom Rotor sich in den Eisenkern zieht, wird der andere herausgedrückt und umgekehrt. Es stellt sich ein Gleichgewichts-Zustand ein, auch im Zusammenhang mit allen Magneten. Das hat einen auswertbaren Vorteil. Die Magnetanziehungs-Kräfte auf das Eisen lassen sich minimieren, wodurch der Rotor beim Motorstart weniger Widerstand hat. Hierzu ist ein Vorgang zur Minimierung der magnetischen Anziehungskräfte durchzuführen, der in 3 Schritten ausgeführt wurde.
Vorgang

1. An dem Funktionsmodell wurden zuerst nur 2 nebeneinander liegende Eisenkerne (entgegengesetzt beeinflussend) auf den Rotor geschoben und provisorisch befestigt, Durch Drehen des Rotors mit der Hand, wurden aufgrund der Wahrnehmung des Widerstandes, die Eisenkerne so in der Anordnung verändert, dass die Haltekraft auf ein Minimum einstellbar war. Die Befestigungspunkte wurden markiert.
2. Danach wurden die nächsten 2 Eisenkerne provisorisch angebracht. Durch Drehen des Rotors und Änderung der Anordnung der Eisenkerne wurde die Haltekraft wieder auf ein Minimum eingestellt.
3. Mit der Anordnung der restlichen 2 Eisenkerne wurde mit der gleichen Vorgehensweise die Haltekraft wieder reduziert, wobei eine leichte Drehbarkeit des Rotors mit geringem Widerstand entstand.

Der Abstand von Eisenkern zu Eisenkern darf innerhalb der aufgeteilten Hälften verschieden sein. Denn für den Motorlauf ist der Abstand von Magnet zu Magnet durch die Anordnung am Rotor maßgebend, der vom Hallschalter abgefragt wird. Beim Motorlauf wird gleichzeitig die Hälfte der Magnete aus dem Luftspalten herausgestoßen und die andere Hälfte hineingezogen. Die Eisenkerne wurden mit Aluwinkel befestigt.
Beschreibung der Funktion
Allgemeines
Der Funktionsablauf wird im Folgendem an Hand des Stromlaufplanes der Steuerelektronik beschrieben.
In der Ruhelage, nach der Minimierung der Magnet-Haltekräfte, siehe Zeichnung mit dazugehöriger Beschreibung, stehen die Magnete des Rotors mit leichter Haltekraft in den Luftspalten der Eisenkerne.
Mit dem Schalter „Motor EIN/AUS” erhält die Steuerelektronik ihren kleinen Strombedarf aus den Stromquellen V1 und V2. Die Steuerelektronik schaltet mit den MFET-Leistungs-Transistoren (fast ohne Verlustleistung) als Leistungs-Schalter die beiden Stromquellen abwechselnd an die Motorspulen. Ist der Motor ausgeschaltet, fließt durch die gesperrten, hochohmigen MFET-Leistungs-Transistoren und den Optokoppler O1 kein (nennenswerter) Strom in diesen Stromkreisen.
Der Hallschalter wird aufgrund der Polarität des gerade für ihn zufällig im Eisenkern stehenden Magneten ein- und ausgeschaltet (er wird leitend oder bleibt gesperrt). Der Funktionsablauf wird bei leitenden und nicht leitenden Hallschalter beschrieben.
1. Motor-Einschaltablauf, wenn der Hallschalter nicht leitend ist.
Der Strom aus der Stromquelle V1 fließt über den Motor-EIN/AUS-Schalter und über die Leuchtdiode LD. Das bewirkt, dass der Optokoppler O2 und damit der MFET1 leitend wird. Wodurch in allen Motorspulen der Strom aus V1 in vorgegebener Stromrichtung fließen kann.
2. Motor-Einschaltablauf, wenn der Hallschalter leitend ist.
Nach der Einschaltung des Motors zieht der leitende Hallschalter den Verbindungspunkt Leuchtdiode LD, Widerstand und Optokoppler O1 gegen 0 Volt, wodurch die Leuchtdiode LD stromlos wird, und der Optokoppler O2 den MFET1 sperrt. Gleichzeitig macht Optokoppler O1 den MFET2 leitend. Wodurch in allen Motorspulen der Strom aus V2 in vorgegebener Stromrichtung fließen kann.
Der Rotor dreht sich in beiden Fällen aus der Ruhelage. Die Anordnung der Eisenkerne, die bei der Minimierung der Magnet-Haltekräfte in der Ruhelage erfolgte, ergibt mit dem Hallschalter, der an geeigneter Stelle angeordnet ist und die Magnet-Position meldet, den Motorlauf. Der darauf folgende Magnet hat die umgekehrte Polarität. Wodurch der Hallschalter den Befehl liefert, die Stromrichtung von den Motorspulen in die umgekehrte Richtung zu schalten. Es wurden im Funktionsmodell alle Motorspulen in Serie geschaltet. Von den 6 Magneten werden gleichzeitig 3 Magnete aus den Luftspalten der Eisenkerne herausgestoßen und 3 hineingezogen. Die Drehrichtung des Motors ist von der Polarität der einzelnen Eisenkerne (Stromrichtung) zu den zugehörige Magnetpolen der Magnete und der passenden Hallschalter-Position abhängig. Die in der Steuerelektronik gestrichelt eingezeichneten Zenerdioden sind erforderlich, wenn die MFET-Transistoren keine hohe Durchbruchspannung haben. Der Widerstand RM dient (bei Auftrennung der Leitung) als Messwiderstand.

Claims

Steuerelektronik zur automatischen Kommutierung kollektorloser Gleichstrommotoren, die hauptsächlich mit Magnetrotor und Hallsensor (Hallschalter) ausgestattet sind. Wobei mit dieser einfachen Steuerelektronik in Zusammenwirkung mit einem Hallschalter, der z. B. die Polung der Magnete vom Rotor abfragt, eine Selbststeuerung der Kommutierung erfolgt, – wobei hierfür aus 2 separaten, voneinander völlig getrennten Stromquellen die Motorspulen den erforderlichen Strom mit passende Stromrichtung erhalten, wodurch die Nachteile der üblichen dazu verwendeten H-Schaltung, Erwärmung der Leistungs-Schalttransistoren, dadurch unnötige Verlustleistung und bei langsamen Motorlauf dessen Zerstörung, vermieden werden, – wobei in dieser Steuerelektronik durch die Verwendung von Optokoppler und MOS-Feldeffekt-Leistungs-Transistoren, die hohe Ströme voll durchschalten können, kaum eine Verlustleistung auftritt, – wobei durch diese Steuerelektronik bei Stromrichtungswechsel Energie über die Freilaufdioden der Schalttransistoren in die Stromquellen zurückfließen kann, – wobei von der Steuerschaltung durch Einschaltung ihrer Stromversorgung der Motor eingeschaltet wird, und die Motorspulen die Stromrichtung entsprechend der Vorgabe des Hallschalters passend erhalten, – wobei zu den erwähnten kleinen Verlustleistungen der Steuerelektronik bei Verwendung der im Folgenden beschriebenen Motorbauart durch die Minimierung der Haltekräfte (im Luftspalt der Eisenkerne) der Motor weniger Energie für den Anlauf und Weiterlauf benötigt, wodurch die Verlustleistung auch noch reduziert wird, was den Wirkungsgrad des Motors positiv beeinflusst.
Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 1 nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Motor die Hauptkomponenten umfasst: Stator, bestehend aus Eisenkernen mit den Motorspulen, mindestens ein Rotor mit geradzahliger Anzahl von Magneten und einen Hallschalter. Die Eisenkerne haben einen Luftspalt, in dem sich der Rotor hindurch drehen kann, – wobei die Anordnung der Eisenkerne es ermöglicht, dass im Ruhezustand die Magnet-Haltekräfte, die im Luftspalt zwischen Eisen und Magnet auftreten, minimiert werden können, was auch diesbezüglich die Anwendung als Generator betrifft, – wobei die Motor-Drehbewegung in der Weise erfolgt, dass jeweils die Hälfte von der verwendeten Magnetanzahl in den Luftspalt der Eisenkerne hineingezogen und die andere Hälfte gleichzeitig herausgestoßen wird, und die Drehrichtung wählbar festgelegt werden kann.