DE102014010769B4

DE102014010769B4 - Steuerelektronik zur automatischen Kommutierung kollektorloser Gleichstrommotoren, die hauptsächlich mit Magnetrotor und Hallsensor (Hallschalter) ausgestattet sind.

Info

Publication number: DE102014010769B4
Application number: DE102014010769.8A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-07-22
Filing date: 2014-07-22
Publication date: 2016-10-13
Anticipated expiration: 2034-07-23
Also published as: DE102014010769A1

Abstract

Steuerelektronik zur Kommutierung eines kollektorlosen Gleichstrommotors, mit einer Gleichspannungsquelle V1, deren Pluspol mit einem ersten Anschluss der Motorspulen, mit einem MOSFET-Schalttransistor MFET2 (D), über einen Motor Ein-/Ausschalter mit einem Optokoppler O2 (Kollektor), mit einem Widerstand, der zur LD (Leuchtdiode) führt, und mit einem Hallschalter TLE4945L (seine Betriebsspannung) verbunden ist, wobei der Minuspol von V1 mit einem MOSFET-Schaltransistor MFET1 (S), mit einem Widerstand (der zu MFET1, G führt), mit dem Optokoppler O2 (Diode), und mit dem Hallschalter (Emitter) verbunden ist, wobei eine weitere Spannungsquelle V2 deren Pluspol mit einem zweiten Anschluss der Motorspulen, mit MFET1 (D) und mit dem Optokoppler O1 (Kollektor) verbunden ist, wobei der Minuspol von V2 mit dem MFET2 (S) und mit einem Widerstand, der zum MFET2 (G) und dem Optokoppler O1 (Emitter) führt, verbunden ist, wobei der Hallschalterausgang (Kollektor) mit dem Optokoppler O1 (Diode) verbunden ist, vom Optokoppler O1 (Diode) besteht die Verbindung zur LD und den Widerstand, von der LD besteht eine Verbindung über die Zenerdiode zum Optokoppler O2 (Diode), wobei mit dieser Sreuerelektronik in Zusammenwirkung mit den Koponenten Hallschalter, Eisenkerne mit Motorspulen, Rotor mit Magneten und 2 separaten, voneinander völlig getrennten Gleichspannungsquellen V1, V2 die Selbststeuerung der Kommutierung erfolgt, wobei diese Steuerelektronik bei Stromrichtungswechsel den Strom von den Motorspulen über die Freilaufdioden der MOSFET-Schalttransistoren MFET1, MFET2 in die Gleichspannungsquellen V1, V2 zurückfließen lässt, wobei der kollektorlose Gleichstrommotor einen annähernd scheibenförmigen Rotor aufweist, auf dem eine geradzahlige Anzahl von Permanentmagneten mit benachbart und gegenüberliegend abwechselter Polung angebracht werden, wobei der Stator aus U-förmigen Eisenkernen mit je einer Wicklung (Motorspulen) aufgebaut ist, wobei die Permanentmagnete sich im Luftspalt der Eisenkerne bewegen, wobei mit dem Hallschalter die Polung der Permanentmagnete des Rotors erfasst wird, auch für die Ausführung mit höherer, geradzahliger Anzahl von Magneten und Eisenkernen, – wobei die Haltekräfte der Rotormagnete, die zwischen den Magneten und dem Eisen im Luftspalt der Eisenkerne auftreten, durch folgenden Vorgang minimiert werden, indem zuerst 2 Eisenkerne mit deren Luftspalten auf die sich gegenüberliegenden Magnete des Rotors geschoben und provisorisch am Stator befestigt werden, wobei einer davon in seiner Lage so verschoben wird, dass die Rotormagnete aus den Eisenkernen mit ungefähr halber Magnetlänge entgegengesetzt heraustreten, und der Rotor hierbei in Balance steht, wobei die nächsten 2 Eisenkerne ebenso auf 2 gegenüber liegenden Rotormagnete geschoben werden, und die Balance durch ...

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.
Beschreibungseinleitung
In dieser Offenlegungsschrift ist auf der ersten Seite unter „Ermittelter Stand der Technik” die Offenlegungsschrift DE 10 2010 033 872 A1 angeführt, die den gleichen Anmelder und Erfinder hat. Daraus hervorgegangen ist die vorliegende Offenlegungsschrift mit dem Unterschied der wesentlichen Verbesserung der Steuerelektronik und des Motors mit der magnetischen Haltekraftminimierung.
Die als Stand der Technik hierzu angeführte Offenlegungsschrift DE 199 00 282 A1 zeigt einen kollektorlosen Motor- und Generatorbetrieb mit einem Motor bzw. Generator mit ringförmig verschalteten Wicklungen.
Das angeführte US-Patent US 6 717 323 B1 zeigt als Stand der Technik einen kollektorlosen Motor mit Schrägung zwischen Statorspulen und Rotormagneten zur Rastmoment-Minimierung.
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 würden 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 Kommutierung eines kollektorlosen Gleichstrommotors, mit einer Gleichspannungsquelle V1, deren Pluspol mit einem ersten Anschluss der Motorspulen, mit einem MOSFET-Schalttransistor MFET2 (D), über einen Motor Ein-/Ausschalter mit einem Optokoppler O2 (Kollektor), mit einem Widerstand, der zur LD (Leuchtdiode) führt, und mit einem Hallschalter TLE4945L (seine Betriebsspannung) verbunden ist, wobei der Minuspol von V1 mit einem MOSFET-Schaltransistor MFET1 (S), mit einem Widerstand (der zu MFET1, G führt), mit dem Optokoppler O2 (Diode), und mit dem Hallschalter (Emitter) verbunden ist, wobei eine weitere Spannungsquelle V2 deren Pluspol mit einem zweiten Anschluss der Motorspulen, mit MFET1 (D) und mit dem Optokoppler O1 (Kollektor) verbunden ist, wobei der Minuspol von V2 mit dem MFET2 (S) und mit einem Widerstand, der zum MFET2 (G) und dem Optokoppler O1 (Emitter) führt, verbunden ist, wobei der Hallschalterausgang (Kollektor) mit dem Optokoppler O1 (Diode) verbunden ist, vom Optokoppler O1 (Diode) besteht die Verbindung zur LD und den Widerstand, von der LD besteht eine Verbindung über die Zenerdiode zum Optokoppler O2 (Diode), wobei mit dieser Sreuerelektronik in Zusammenwirkung mit den Koponenten Hallschalter, Eisenkerne mit Motorspulen, Rotor mit Magneten und 2 separaten, voneinander völlig getrennten Gleichspannungsquellen V1, V2 die Selbststeuerung der Kommutierung erfolgt, wobei diese Steuerelektronik bei Stromrichtungswechsel den Strom von den Motorspulen über die Freilaufdioden der MOSFET-Schalttransistoren MFET1, MFET2 in die Gleichspannungsquellen V1, V2 zurückfließen lässt, wobei der kollektorlose Gleichstrommotor einen annähernd scheibenförmigen Rotor aufweist, auf dem eine geradzahlige Anzahl von Permanentmagneten mit benachbart und gegenüberliegend abwechselter Polung angebracht werden, wobei der Stator aus U-förmigen Eisenkernen mit je einer Wicklung (Motorspulen) aufgebaut ist, wobei die Permanentmagnete sich im Luftspalt der Eisenkerne bewegen, wobei mit dem Hallschalter die Polung der Permanentmagnete des Rotors erfasst wird, auch für die Ausführung mit höherer, geradzahliger Anzahl von Magneten und Eisenkernen, – wobei die Haltekräfte der Rotormagnete, die zwischen den Magneten und dem Eisen im Luftspalt der Eisenkerne auftreten, durch folgenden Vorgang minimiert werden, indem zuerst 2 Eisenkerne mit deren Luftspalten auf die sich gegenüberliegenden Magnete des Rotors geschoben und provisorisch am Stator befestigt werden, wobei einer davon in seiner Lage so verschoben wird, dass die Rotormagnete aus den Eisenkernen mit ungefähr halber Magnetlänge entgegengesetzt heraustreten, und der Rotor hierbei in Balance steht, wobei die nächsten 2 Eisenkerne ebenso auf 2 gegenüber liegenden Rotormagnete geschoben werden, und die Balance durch Anordnung der beiden Eisenkerne, unter Beachtung der aus den Eisenkernen heraustretenden, sich ändernden Magnetlängen eingestellt wird, wobei für den Hallschalter die abzufragende, heraustretende Magnetlänge in jeder Rotorstellung ausreichend sein muss, wobei mit den letzten 2 Eisenkerne ebenso wie davor zu verfahren ist, – wobei der kollektorlose Gleichstrommotor einen hohen Wirkungsgrad aufweist, – wobei neben den Motorbetrieb auch ein Generatorbetrieb durchgeführt wird, für den die gleichen Vorgänge der Haltekraftminimierung gelten und anwendbar sind.