DE102015103111A1

DE102015103111A1 - Elektromotor mit asymmetrischem Rotor

Info

Publication number: DE102015103111A1
Application number: DE102015103111.6A
Authority: DE
Inventors: Manfred Bitzer; Björn Winter; Patrick Jacobs
Original assignee: Ebm Papst St Georgen GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst St Georgen GmbH and Co KG
Priority date: 2015-03-04
Filing date: 2015-03-04
Publication date: 2016-09-08

Abstract

Ein Elektromotor (10) hat einen Stator (20) mit einer Anzahl S von Statorpolen (21, 22, 23, 24, 25, 26), einen Rotor (40) mit einer Anzahl R von permanentmagnetischen Rotorpolen (41, 42, 43, 44, 45, 46), eine Wicklungsanordnung (30), eine Endstufe (50), welche dazu ausgebildet ist, einen Strom in der Wicklungsanordnung zu bewirken, einen Rotorlagesensor (67), welcher dazu ausgebildet ist, die Rotorlage des Rotors (40) zu erfassen und ein Rotorlagesignal (241) zu erzeugen, welches Rotorlagesignal (241) Wechsel aufweist, welche abhängig sind von der Rotorlage, wobei die Rotorpole (41–46) derart ausgebildet sind, dass der Abstand der benachbarten Wechsel des Rotorlagesignals jeweils einer Drehung des Rotors (40) um 360° / R entspricht, und wobei die der Statoranordnung zugewandte Fläche der Rotorpole derart ausgebildet ist, dass die Fläche mindestens eines ersten Rotorpols der R Rotorpole größer ist als die Fläche mindestens eines zweiten Rotorpols der R Rotorpole, um eine Asymmetrie der Größe der Flächen der Rotorpole zu erzeugen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor mit einem asymmetrischen Rotor.
Die DE 10 2013 102 124 A1 beschreibt einen einphasigen Elektromotor, bei dem durch eine Asymmetrie im Stator oder im Rotor und durch eine Bestromung eines Teils der Statorpole in jeder Rotorlage ein Drehmoment erzeugt werden kann. Auf den Inhalt der DE 10 2013 102 124 A1 bezüglich dieser Technologie wird Bezug genommen.
Bei einer asymmetrischen Ausgestaltung der permanentmagnetischen Rotorpole ergibt sich das Problem, dass das resultierende Rotorlagesignal eines Rotorlagesensors ebenfalls asymmetrisch ist, und dies kann zu einer schlechten Kommutierung und damit zu erhöhten Geräuschen führen. In der DE 10 2013 102 124 A1 wird vorgeschlagen, entweder eine zusätzliche Sensorspur vorzusehen oder das Rotorlagesignal elektronisch zu korrigieren.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen neuen Elektromotor mit einem asymmetrischen Rotor bereit zu stellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Elektromotor gemäß Patentanspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen, sowie aus den Unteransprüchen. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines einphasigen Elektromotors 10 mit sechs Statorpolen,
2 ein Schaltbild für eine Schaltung zum Betreiben des Motors 10 von 1,
3 eine Messung der induzierten Spannung des Motors 10 aus 1,
4 eine Detailansicht von 3,
5 eine Messung des Stroms durch die Spulen des Motors 10 von 1,
6 eine Messung des Rotorlagesignals und des Stroms durch die Spulen des Motors 10 von 1 mit einem verbesserten Rotor,
7 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform von Rotorpolen für den Motor von 1,
8 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform von Rotorpolen für den Motor von 1,
1 zeigt einen Elektromotor 10 mit einem Stator 20 und einem Rotor 40. Dem Stator 20 ist eine Wicklungsanordnung 30 zugeordnet, und er hat sechs Statorpole 21 bis 26. Der Rotor 40 hat ebenfalls sechs Rotorpole 41 bis 46, die als permanentmagnetische Rotorpole 41 bis 46 ausgebildet sind.
Die Wicklungsanordnung 30 hat sechs in Reihe geschaltete Spulen 31 bis 36, die zwischen einem ersten Wicklungsanschluss 11 und einem zweiten Wicklungsanschluss 12 in Reihe geschaltet bzw. elektrisch verbunden sind. Den Statorpolen 21 bis 26 ist jeweils eine der Spulen 31 bis 36 zugeordnet, wobei die Spulen 31 bis 36 derart gewickelt sind, dass bei einer Bestromung jeweils abwechselnd bei den benachbarten Statorpolen 21 bis 26 ein Nordpol dann ein Südpol, dann wieder ein Nordpol etc. folgt, da auch die Rotorpole 41 bis 46 jeweils die Richtung abwechselnd ändern. Die Wicklungsanordnung 30 beginnt – ausgehend vom ersten Wicklungsanschluss 11 – beim Statorpol 21, verläuft von diesem weiter zum Statorpol 24 und anschließend zu den Statorpolen 25, 26, 22 und 23, und von dort zum zweiten Wicklungsanschluss 12. Über den ersten Wicklungsanschluss 11 und den zweiten Wicklungsanschluss 12 sind somit die Spulen 31 bis 36 bestrombar.
An der Wicklungsanordnung 30 ist zwischen den Statorpolen 24 und 25 ein dritter Wicklungsanschluss 13 vorgesehen, der auch als Anzapfung bezeichnet werden kann.
2 zeigt ein entsprechendes Schaltbild für den Motor 10 aus 1. Dargestellt ist die Wicklungsanordnung 30 mit den sechs Spulen 31 bis 36 und dem ersten Wicklungsanschluss 11, dem zweiten Wicklungsanschluss 12 und dem dritten Wicklungsanschluss 13 sowie eine Steuervorrichtung 70 und eine Endstufe 50 zur Beeinflussung des Stroms durch die Wicklungsanordnung 30.
Eine erste Leitung 57 (+U_B) und eine zweite Leitung 58 (GND bzw. Bezugspotential) sind vorgesehen, um der Endstufe 50 eine Versorgungsspannung +U_B zuzuführen, beispielsweise von einer Gleichspannungsquelle 71.
Ein Schalter 51 ist zwischen der ersten Leitung 57 und dem ersten Wicklungsanschluss 11 vorgesehen, und ein Schalter 52 zwischen dem ersten Wicklungsanschluss 11 und der zweiten Leitung 58.
Ein Schalter 53 ist zwischen der ersten Leitung 57 und dem zweiten Wicklungsanschluss 12 vorgesehen, und ein Schalter 54 zwischen dem zweiten Wicklungsanschluss 12 und der zweiten Leitung 58.
Die Anordnung mit den vier Schaltern 51, 52, 53 und 54 wird auch als Vollbrückenschaltung oder H-Brücke (englisch: full bridge circuit, H bridge) bezeichnet. Hierbei bildet die Wicklungsanordnung 30 den Brückenzweig der Vollbrückenschaltung.
Ein Schalter 56 ist zwischen dem dritten Wicklungsanschluss 13 und der zweiten Leitung 58 vorgesehen.
Die Leitung 58 ist über einen so genannten Fußpunktwiderstand 60 mit einer Leitung 59 verbunden, und dementsprechend sind die Schalter 52, 54, 56 über die Leitung 59 indirekt mit der Leitung 58 verbunden. Der Widerstand 60 ist üblicherweise niederohmig, und er kann zusätzlich oder alternativ in der Leitung 57 vorgesehen sein, oder aber komplett entfallen.
Eine Steuervorrichtung 70 hat fünf Steuerleitungen 61, 62, 63, 64 und 66, über die sie mit den fünf Schaltern 51 bis 54 und 56 verbunden ist, um diese leitend oder nicht-leitend zu schalten.
Als Schalter 51, 52, 53, 54 und 56 werden bevorzugt steuerbare Schalter, weiter bevorzugt Halbleiterschalter wie MOSFETs, IGBTs (Isolated Gate Bipolar Transistor), bipolare Transistoren verwendet, soweit nichts anderes ausgeführt ist. Für den Schalter 56 kann z.B. auch ein Relais verwendet werden.
Die oberen Schalter 51, 53 werden auch als High Side-Schalter (englisch: high side switch) bezeichnet, und die unteren Schalter 52, 54, 56 als Low Side-Schalter (englisch: low side switch).
Den Schaltern 51 bis 56 ist bevorzugt jeweils eine Freilaufdiode zugeordnet, um einen Strom durch die Schalter in umgekehrter Richtung zu verhindern, wie er z.B. bei nicht-leitend geschalteten Schaltern 51 bis 56 und sich drehendem Rotor 40 durch die induzierte Spannung auftreten kann. Dabei kann alternativ auch nur bei den Schaltern 51, 52, 53, 54 eine Freilaufdiode vorgesehen sein, und der Schalter 56 kann ohne eine Freilaufdiode sein, da die Bestromung über den Schalter 56 auf den Startvorgang beschränkt werden kann, so dass noch keine große induzierte Spannung auftritt.
Am Rotor 40 ist bevorzugt ein Rotorlagesensor 67 (z. B. Hall-Sensor oder MR (magneto resistive)-Sensor oder Encoder) zur Bestimmung der Rotorlage angeordnet, und der Rotorlagesensor 67 ist über eine Leitung 68 mit der Steuervorrichtung 70 verbunden.
Die Steuervorrichtung 70 ist über eine Leitung 72 mit der Leitung 59 verbunden, um das Potential am Fußpunktwiderstand 60 zu messen.
Funktionsweise
Im normalen Betrieb, wenn der Rotor 40 also dreht und bevorzugt eine Mindestdrehzahl erreicht hat, erfolgt die Bestromung der Wicklungsanordnung 30 über die Vollbrückenschaltung 51, 52, 53, 54.
Hierzu werden beispielsweise abwechselnd entweder in einem ersten Zustand Z1 die Schalter 51 und 54 leitend geschaltet, oder in einem zweiten Zustand Z2 die Schalter 53 und 52 leitend geschaltet.
Im ersten Zustand Z1 fließt ein Strom von der ersten Leitung 57 über den Schalter 51, den Wicklungsanschluss 11, die Wicklungsanordnung 30, den zweiten Wicklungsanschluss 12, den Schalter 54, die Leitung 59 und den Fußpunktwiderstand 60 zur zweiten Leitung 58.
Im zweiten Zustand Z2 fließt der Strom von der Betriebsspannung 57 über den Schalter 53, den zweiten Wicklungsanschluss 12, die Wicklungsanordnung 30, den ersten Wicklungsanschluss 11, den Schalter 52, die Leitung 59 und den Fußpunktwiderstand 60 zu Masse 58.
Die übrigen Schalter sind im ersten Zustand Z1 und zweiten Zustand Z2 nicht-leitend geschaltet.
In Abhängigkeit von der Rotorstellung des Rotors 40 wird zwischen dem ersten Zustand Z1 und dem zweiten Zustand Z2 hin- und hergewechselt, um so den Rotor 40 anzutreiben. Dabei wird die Rotorstellung über den Rotorlagesensor 67 erfasst. Die Erfassung kann aber auch sensorlos erfolgen.
Die beschriebene Ansteuerung für die normale Bestromung der Endstufe 50 im Betrieb ist beispielhaft, und der Fachmann kennt eine Vielzahl von Ansteuermöglichkeiten für Endstufen, also z.B. auch eine getaktete Ansteuerung von zumindest einem Teil der Schalter 51 bis 54 oder eine Block-Kommutierung.
Der Fußpunktwiderstand 60 dient dazu, den Strom durch die Endstufe 50 zu messen, damit die Steuervorrichtung 70 über die Leitung 72 einen Überstrom erkennen kann.
Die Steuervorrichtung 70 steuert die Schalter 51 bis 54, um den Motor 10 anzutreiben oder ggf. auch zu bremsen. Hierbei ist z.B. eine Drehzahlsteuerung, Drehzahlregelung, Leistungssteuerung, Leistungsregelung etc. möglich.
Da die Kommutierung über Schalter (hier 51 bis 54) und nicht über Kommutator-Bürsten erfolgt, wird der Motor auch als bürstenloser oder elektronisch kommutierter Motor bezeichnet.
Start des Motors
Beim Start des Motors 10 aus 2 ist es möglich, dass der Rotor 40 eine ungünstige Rotorlage hat, in der eine Bestromung der Wicklungsanordnung 30 über die Schalter 51, 54 bzw. 53, 52 kein oder nur ein sehr geringes Drehmoment erzeugt.
Über den dritten Wicklungsanschluss 13 ist es möglich, in einem dritten Zustand Z3 die Schalter 51 und 56 leitend zu schalten, so dass ein Strom von der ersten Leitung 57 über den Schalter 51, den ersten Wicklungsanschluss 11, die Spulen 31 und 32, den dritten Wicklungsanschluss 13, den Schalter 56, die Leitung 59, den Fußpunktwiderstand 60 zur zweiten Leitung 58 fließt. Die Bestromung erfolgt somit über eine erste Teilgruppe TG1 der Spulen 31 bis 36, die nur die Spulen 31 und 32 umfasst.
Ebenso ist es möglich, in einem vierten Zustand Z4 die Schalter 53 und 56 leitend zu schalten, so dass ein Strom von der ersten Leitung 57 über den Schalter 53, den zweiten Wicklungsanschluss 12, die Spulen 36, 35, 34, 33, den dritten Wicklungsanschluss 13, den Schalter 56, die Leitung 59, den Fußpunktwiderstand 60 zur zweiten Leitung 58 fließt. Die Bestromung erfolgt somit über eine zweite Teilgruppe TG2 der Spulen 31 bis 36, die nur die Spulen 33 und 36 umfasst.
In diesem Ausführungsbeispiel sind somit in den Teilgruppen TG1, TG2 keine gemeinsamen Spulen enthalten, sondern es werden jeweils unterschiedliche Spulen bestromt.
Für das magnetische (innere) Drehmoment M_i des Motors 10 gilt M_i = k_mI (1) mit

k_m: = Drehmomentkonstante
I: = Wicklungsstrom durch die Wicklung 30

Für das eigentliche Drehmoment (englisch: output torque) M muss noch das negativ wirkende Reibungsmoment M_R berücksichtigt werden.
Für die in die Wicklungsanordnung 30 induzierte (innere) Spannung (englisch: induced voltage) U_i gilt U_i = k_momega = k_m2pin/60 (2) mit

omega = ω: = Winkelgeschwindigkeit
n: = Drehzahl in min^–1

Die Drehmomentkonstante k_m ist dabei abhängig von der Rotorstellung phi des Rotors 40, also k_m = k_m(phi). An Stelle der Drehmomentkonstante k_m wird auch häufig die Spannungskonstante kE betrachtet, die proportional zu k_m ist und teilweise auch als Ke bezeichnet wird.
Wie aus den Gleichungen (1) und (2) zu sehen ist, stellt die Drehmomentkonstante k_m sowohl die Proportionalität zwischen dem Drehmoment M_i und dem Wicklungsstrom I als auch die Proportionalität zwischen der induzierten Spannung U_i und der Winkelgeschwindigkeit omega her. Daher ist es möglich, beispielsweise die Drehmomentkonstante k_m durch externes Antreiben des Rotors 40 mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit omega und gleichzeitigem Messen der induzierten Spannung U_i zu ermitteln, und der Verlauf der ermittelten Kurve ist proportional bzw. identisch zum Verlauf des magnetischen Drehmoments M_i .
3 zeigt eine Messung der induzierten Spannung U_i über eine volle Umdrehung des Rotors 40 von phi = 0 ... 360°.
Die Kurve 201 zeigt die induzierte Spannung U_i, die zwischen dem ersten Wicklungsanschluss 11 und dem zweiten Wicklungsanschluss 12 gemessen wird. Es ist zu sehen, dass die Kurve 201 sechs Nulldurchgänge hat, und wenn der Motor in einer Rotorstellung stehen bleibt, bei der die Kurve 201 einen Nulldurchgang hat, so kann durch eine Bestromung zwischen dem ersten Wicklungsanschluss 11 und dem zweiten Wicklungsanschluss 12 kein Drehmoment erzeugt werden.
Die Kurve 202 zeigt die induzierte Spannung U_i, die zwischen dem ersten Wicklungsanschluss 11 und dem dritten Wicklungsanschluss 13 in die Spulen 31, 32 (Teilgruppe TG1) induziert wird. Die Kurve 202 hat eine geringere Amplitude als die Kurve 201, da nur das Signal von den beiden Spulen 31, 32 addiert ist, und nicht das Signal aller sechs Spulen 31 bis 36 wie in der Kurve 201. Es ist zu sehen, dass die Nulldurchgänge der Kurve 202 bei anderen Rotorstellungen auftreten, als die Nulldurchgänge der Kurve 201.
Die Kurve 203 zeigt die induzierte Spannung U_i, die zwischen dem zweiten Wicklungsanschluss 12 und dem dritten Wicklungsanschluss 13 in die Spulen 33 bis 36 (Teilgruppe TG2) induziert wird. Die Kurve 203 hat eine geringere Amplitude als die Kurve 201 und eine größere Amplitude als die Kurve 202, da das Signal von den vier Spulen 33 bis 36 addiert ist. Es ist zu sehen, dass die Nulldurchgänge der Kurve 203 bei anderen Rotorstellungen auftreten, als die Nulldurchgänge der Kurven 201 und 202.
4 zeigt einen Ausschnitt aus 3 mit dem Winkelbereich von 0° bis ca. 150°.
Die Kurve 201, die die induzierte Spannung U_i zwischen dem ersten Wicklungsanschluss 11 und dem zweiten Wicklungsanschluss 12 wiedergibt, hat bei 60 ° einen Nulldurchgang, wobei der Winkel von 60 ° durch die senkrechte Linie 210 gekennzeichnet ist, und der Nulldurchgang bei 120 ° ist durch die senkrechte Linie 215 gekennzeichnet. An den Stellen 210 und 215 kann durch eine Bestromung zwischen den Wicklungsanschlüssen 11 und 12 kein Drehmoment erzeugt werden, da der Verlauf der Drehmomentkonstante k_m dem Verlauf der induzierten Spannung U_i entspricht, und diese jeweils einen Nulldurchgang haben.
Die Kurve 202 hat den Nulldurchgang jedoch an einer Stelle 213 (bei ca. 62 °), die hinter der Stelle 210 liegt, und an der Stelle 210 hat die Kurve 202 noch einen negativen Wert, der als waagerechte Linie 211 gekennzeichnet ist.
Die Kurve 203 hat den Nulldurchgang vor der Stelle 210 an der Stelle 214 (bei ca. 57 °), und an der Stelle 210 ist die Kurve 203 bereits in den positiven Bereich angestiegen, wobei der Wert mit einer waagerechten Linie 212 gekennzeichnet ist.
Dadurch, dass die Kurven 202, 203 an der Stelle 210 verschieden von Null sind, kann dort entweder über die der Kurve 202 zugeordneten Spulen 31, 32 (Teilgruppe TG1) oder aber über die der Kurve 203 zugeordneten Spulen 33 bis 36 (Teilgruppe TG2) ein Drehmoment erzeugt werden.
An der Stelle 215, die einer Rotorstellung von 120° entspricht, hat die Kurve 202 bereits bei einem kleineren Winkel an der Stelle 218 einen Nulldurchgang gehabt und ist auf einen negativen Wert gesunken, der durch eine waagerechte Linie 216 gekennzeichnet ist.
Die Kurve 203 hat den Nulldurchgang knapp hinter der Stelle 215 an der Stelle 219, und die Kurve 203 ist an der Stelle 215 leicht im positiven Bereich.
Wie zu erkennen ist, ist das über die Kurven 202, 203 erreichbare Drehmoment an der Stelle 215 kleiner als an der Stelle 210, und über eine Bestromung der der Kurve 202 zugeordneten Spulen 31, 32 kann eine größeres Drehmoment erzeugt werden als über die der Kurve 203 zugeordneten Spulen 33 bis 36.
An den Nulldurchgängen 213, 218 der Kurve 202 sind jeweils die anderen Kurven 201, 203 positiv bzw. negativ, und an den Nulldurchgängen 214, 219 der Kurve 203 sind jeweils die anderen Kurven 201, 202 positiv bzw. negativ, also ungleich Null.
Im Ergebnis kann bei jeder Rotorstellung phi ein Drehmoment erzeugt werden.
Nachdem das Prinzip grundlegend dargestellt wurde, wird im folgenden auf Details und Varianten eingegangen.
Motortyp
Die vorgestellte Lösung, mit der ein Drehmoment bei jeder Rotorstellung erzeugt werden kann, ist grundsätzlich unabhängig vom Motortyp. Es können z. B. Innenläufer, Außenläufer oder Scheibenläufer verwendet werden.
Der Stator 20 kann einen Statorkern (englisch: stator core) aufweisen, wie dies z. B. in 1 gezeigt ist, er kann aber auch ohne Statorkern ausgeführt werden, und dies wird auch als eisenlose Wicklung bezeichnet. Der Statorkern ist bevorzugt als Statorpaket bzw. Statorblechpaket ausgebildet, es sind jedoch auch andere Varianten möglich.
Die Anzahl S der Statorpole 21, 22, etc ist bevorzugt gerade und beträgt S = 2, 4, 6, 8, ... bzw. 2·N mit N = 1, 2, 3, ...
Die Anzahl R der Rotorpole 41, 42, etc. entspricht bevorzugt der Anzahl S der Statorpole 21, 22, etc.
Bei dem Ausführungsbeispiel aus 1 hat der Stator 20 sechs Nuten, in denen die Wicklungsanordnung verteilt ist. Daher wird ein solcher Motor auch als 6-nutig / 6-polig bezeichnet.
Erzeugung der Asymmetrie
Bei einem symmetrischen Stator 20 und symmetrischen Rotor 40 kann auch durch eine Bestromung eines Teils bzw. einer Teilgruppe der Spulen 21 bis 26 im Nulldurchgang der induzierten Spannung kein Drehmoment erzeugt werden, da in jede der Spulen 31 bis 36 die genau gleiche Spannung U_i induziert wird.
Daher muss entweder am Stator 20 oder am Rotor 40 oder aber an beiden eine Asymmetrie vorhanden sein, so dass die – im normalen Betrieb – in die einzelnen Spulen 31, 32 etc. induzierte Spannung zumindest teilweise unterschiedlich voneinander ist.
Asymmetrie am Rotor
Eine Asymmetrie kann darüber erreicht werden, dass sich die Winkelerstreckung mindestens eines der Rotorpole 41 bis 46 von der Winkelerstreckung mindestens eines anderen der Rotorpole 41 bis 46 unterscheidet. In 1 haben bspw. die Rotorpole 41, 44 jeweils eine Winkelerstreckung von 60°, die Rotorpole 42, 45 eine Winkelersteckung von 55° und die Rotorpole 43, 46 eine Winkelerstreckung von 65°. Bei dieser Anordnung entspricht die Winkelverteilung der Rotorpole 41, 42, 43 der Winkelverteilung 44, 45, 46. Dies hat den Vorteil, dass bei jeder Halbierung des Rotors 40 auf beiden Seiten die gleiche Menge an Nord-Süd bzw. Süd-Nord-Polen ist. Dies ist sowohl positiv für das Gesamt-Drehmoment des Motors 10 als auch für die Geräuschentwicklung. Zudem ist es positiv, wie in 1 für die Teilbestromung der Spulen 31 bis 36 zwei gegenüberliegende Statorpole 21, 24 zu wählen, da diese beiden Statorpole 21, 24 bzw. die zugeordneten Spulen 31, 32 magnetisch gesehen den gleichen Magneten 41 bzw. 44 „sehen“, so dass sich das bei der Bestromung der Spulen 31, 32 ergebende Drehmoment in Verbindung mit den Rotorpolen 41, 44 addiert.
Verbesserung der Rotorlageerfassung
5 zeigt eine Messung des Stroms durch die Spulen 30 aus 2, und mit einem Rotor 40, der auch am Rotorlagesensor 67 ein asymmetrisches Signal ergibt. Das Signal 240A zeigt den gemessenen Strom. Dieser ist sehr unregelmäßig, und dies ist darauf zurückzuführen, dass der Rotorlagesensor 67 (vgl. 2) die Rotorstellung anhand der asymmetrischen Rotorpole 41 bis 46 aus 1 ermittelt. Abhängig davon, ob ein Rotorpol aktuell größer, kleiner oder entsprechend 360°/R ist, erfolgt die Kommutierung entweder zu früh, zu spät oder richtig, und hierdurch erreicht der Strom häufig zu früh oder zu spät sein Maximum. Der Motor funktioniert zwar, der Wirkungsgrad ist jedoch schlecht.
7 zeigt in schematischer Darstellung eine Abwicklung des Rotors 40 mit den Rotorpolen 41 bis 46, wobei die den Statorpolen 21 bis 26 zugewandten Polflächen 410, 420, 430, 440, 450, 460 dargestellt sind. Unter einer Abwicklung versteht der Fachmann die zweidimensionale Darstellung der dreidimensionalen Form des Rotors 40, also die Übertragung einer gekrümmten dreidimensionalen Fläche in eine zweidimensionale Ebene. Dies vereinfacht die Darstellung und erleichtert auch die Angabe von Winkeln, da beispielsweise ein Polübergang mit konstanter Steigung in der Abwicklung eine Gerade ist.
Bei dem Außenrotor 40 aus 1 entsprechen die Polflächen 410, 420, 430, 440, 450, 460 den radial inneren Flächen, und bei einem Innenrotor eines Innenläufermotors entsprechen sie den radial äußeren Flächen. Der Rotor 40 ist radial magnetisiert, wobei bspw. auch eine axiale Magnetisierung möglich ist. Auf der zum Betrachter hin zeigenden Seite haben die Rotorpole 41, 43 und 45 jeweils einen Südpol (S), und die Rotorpole 42, 44 und 46 jeweils einen Nordpol (N). Der Rotorlagesensor 67 ist an einer axialen Seite 51 des Rotors 40 angeordnet und misst den schematisch dargestellten Streufluss, welcher in diesem Fall maßgeblich durch den bei der aktuellen Rotorlage benachbarten Rotorpol 42 bestimmt wird. Das Rotorlagesignal 241 wird über die Leitung 68 der Steuervorrichtung 70 zugeführt, und in der Steuervorrichtung 70 kann in Abhängigkeit vom Rotorlagesignal 241 die Endstufe 50 von 2 angesteuert werden, um die Wicklungsanordnung 30 zu bestromen.
Die axiale Seite 51 des Rotormagneten 40 ist dem Rotorlagesensor 67 zugewandt, und die gegenüber liegende axiale Seite ist mit 52 bezeichnet. Am Rotorpol 46 ist eine Pollänge PL an unterschiedlichen axialen Erstreckungen h des Rotors 40 eingezeichnet. Die Pollänge PL' bezeichnet die Pollänge an der axialen Seite 51, PL'' bezeichnet die Pollänge an der axialen Seite 52 und PL''' bezeichnet die Pollänge in einem axial inneren Bereich des Pols 46. Im Folgenden wird auch von den Pollängen PL', PL'' und PL''' der anderen Rotorpole 41 bis 45 gesprochen, wobei jeweils die Pollänge in der entsprechenden Höhe h (axiale Position) gemeint ist.
Die Pollänge PL' der Pole 41 bis 46 ist jeweils weitgehend gleich, und da das Signal am Rotorlagesensor 67 hauptsächlich durch den benachbarten Bereich 51 des Rotors 40 bestimmt wird, entspricht der Abstand von jeweils 2 benachbarten Wechseln des Rotorlagesignals 241 einer Drehung des Rotors 40 um 360 °mech. / 6, also 60 °mech. Die Winkelangabe in der Einheit °mech. bedeutet, dass es sich um ein mechanisches Grad handelt, bei dem 360 °mech. einer vollen Umdrehung des Rotors 40 entspricht. Bei einem allgemeinen Rotor 40 mit einer Anzahl R von permanentmagnetischen Rotorpolen entspricht der Abstand zweier benachbarter Wechsel des Rotorlagesignals 241 jeweils einer Drehung des Rotors 40 um 360 ° mech. / R.
Bei angenommener konstanter Drehzahl führt dies dazu, dass die Zeitdauer zwischen jeweils zwei benachbarten Wechseln des Rotorlagesignals 241 jeweils gleich ist.
Durch die gleiche Ausgestaltung der Pollängen PL' in der Nähe des Rotorlagesensors 67 erhält man also ein weitgehend symmetrisches Rotorlagesignal 241, und dies kann zur Ansteuerung des Motors verwendet werden.
Würde man nun die Polübergänge 41' (zwischen den Rotorpolen 41 und 42), 42', 43', 44', 45' und 46' (zwischen den Rotorpolen 46 und 41) gleichförmig gestalten, also bspw. ohne Schrägung wie bei den Polübergängen 43' und 46' oder aber jeweils mit einer vorgegebenen Schrägung wie bei den Polübergängen 41', 42', 44' und 45', so hätte man keine Asymmetrie der Polflächen 410, 420, 430, 440, 450 und 460.
Zur Erzeugung einer Asymmetrie wird daher vorgeschlagen, die Polübergänge 41' bis 46' unterschiedlich auszubilden.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Pollängen PL' und PL''' bei den Rotorpolen 41 und 44 jeweils kleiner als die Pollänge PL', bei den Rotorpolen 42 und 45 jeweils gleich groß wie die Pollänge PL' und bei den Rotorpolen 43 und 46 jeweils größer als die Pollänge PL'. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Polübergänge zwischen den Polen 43 und 44 sowie 46 und 41 jeweils ohne Schrägung ausgeführt sind, und die Polübergänge 41', 42', 44' und 45' jeweils mit einer vorgegebenen Schrägung ausgeführt sind, wobei diese vorgegebene Schrägung im vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils gleich ist.
In dem Ausführungsbeispiel von 7 erstrecken sich die Polübergänge 41' bis 46' in der Abwicklung entlang einer Geraden vom ersten axialen Endbereich 51 zum zweiten axialen Endbereich 52. Es ist auch möglich, dass sich die Polübergänge in der Abwicklung nur bereichsweise entlang einer Geraden erstrecken oder aber in Form einer gekrümmten Kurve erstrecken.
Bei Betrachtung des einzelnen Rotorpols kann zur Erreichung der Asymmetrie mindestens ein Rotorpol 41, 43, 44, 46 vorgesehen werden, welcher in eine erste Umfangsrichtung 91 einen ersten Polübergang 43' und in eine der ersten Umfangsrichtung 91 entgegen gesetzte Umfangsrichtung einen zweiten Polübergang 44' aufweist, wobei mindestens ein axialer Höhenbereich H vorgesehen ist und für jede vorgegebene Höhe h innerhalb dieses Höhenbereichs H gilt, dass der erste Polübergang 43' auf der vorgegebenen Höhe h einen ersten Polübergangswinkel α1 (alpha 1) aufweist, dass der zweite Polübergang 44' auf der vorgegebenen Höhe h einen zweiten Polübergangswinkel α2 (alpha 2) aufweist, wobei sich der erste Polübergangswinkel α1 vom zweiten Polübergangswinkel α2 unterscheidet.
Die Polübergänge auf den beiden Seiten des entsprechenden Pols 44 sind bevorzugt in der Abwicklung zumindest bereichsweise nicht parallel zueinander, sondern sie verlaufen mit unterschiedlichen Steigungen bzw. Polübergangswinkeln.
Allgemein ausgedrückt ist der Rotorlagesensor auf einer ersten axialen Höhe h67 angeordnet, und die Rotorpole 41 bis 46 haben jeweils einen ersten Teilbereich auf der Höhe h' und einen zweiten Teilbereich auf der Höhe h'' bzw. h''', wobei der erste Teilbereich axial näher am Rotorlagesensor 67 angeordnet ist als der zweite Teilbereich h'' bzw. h''', und wobei die Pollänge der Rotorpole 41 bis 46 im ersten Bereich h' weniger unterschiedlich ist als im zweiten Bereich h'' bzw. h'''.
Im vorliegenden Fall ist es sofort klar, dass die Pollängen PL'' bzw. PL''' unterschiedlicher sind als die weitgehend konstante Pollänge PL' der Pole 41 bis 46.
Ein Maß für die Unterschiedlichkeit ist die so genannte Varianz, welche die Streuung der unterschiedlichen Pollängen PL ausdrückt. Diese kann berechnet werden durch
Die Varianz wird also berechnet als durchschnittliche quadrierte Abweichung vom arithmetischen Mittel.
Hier wurde vorausgesetzt, dass PL' für alle Rotorpole konstant ist. Sofern dies nicht der Fall ist, muss zuerst der Mittelwert der Pollängen PL' für den Rotor 40 ermittelt werden. Bei der Bestimmung von PL''(i) für einen vorgegebenen Teilbereich, also z.B. für den Teilbereich zwischen PL'' und PL''' in 7, kann für PL''(i) in der obigen Formel (3) der Mittelwert der Pollänge in diesem Teilbereich verwendet werden.
Beim gezeigten Rotor 40 ist die Polfläche 410, 420, 430, 440, 450, 460 von jeweils zwei benachbarten Rotorpolen 41 bis 46 unterschiedlich groß.
Die geraden Polübergänge 43' und 46' können alternativ auch mit einer Schrägung ausgebildet werden, die bevorzugt größer oder kleiner als die Schrägung der übrigen Polübergänge 41', 42', 44', 45' ist.
Konvexe Ausbildung der Polflächen
Die Polflächen der Pole 41 bis 46 sind in der Abwicklung gemäß 7 konvex ausgebildet. Dies bedeutet, dass jede Verbindung zwischen zwei beliebigen Punkten innerhalb des Pols auch vollständig innerhalb des Pols verläuft.
Die konvexe Ausbildung der Polflächen 410, 420, 430, 440, 450, 460 der Pole 41 bis 46 ist insbesondere vorteilhaft, weil diese eine einfache Ausbildung der Magnetisiervorrichtung ermöglicht. Entsprechende Magnetisiervorrichtungen weisen Magnetisierspulen auf, welche beim Magnetisiervorgang von einem hohen Strom durchflossen werden. Ein entsprechender Magnetisierpol, welcher zur Erzeugung einer konvexen Polfläche ebenfalls konvex ausgebildet sein kann, ermöglicht das Bewickeln des Magnetisierpols, wobei sich der Wicklungsdraht jeweils an den Magnetisierpol anschmiegt.
Symmetrie bezüglich einer Drehung des Rotors
Die Pole 41 bis 46 der 7 weisen eine Symmetrie auf, denn nach einer Drehung um 180 ° mech. nach rechts sind die Pole 41, 42, 43 an der Stelle, an der zuvor die Pole 44, 45, 46 waren, und umgekehrt. Da die Pole 41 und 44 bzw. 42 und 45 bzw. 43 und 46 jeweils gleich ausgestaltet sind, besteht eine Symmetrie bzgl. einer Drehung des Rotors um einen Winkel 360 ° mech. / 2.
Diese Symmetrie hat den Vorteil, dass durch die Asymmetrie des Rotors 40 kein magnetischer Zug bzw. nur ein geringer magnetischer Zug in radiale Richtung entsteht, der Rotor 40 also nicht mit einer resultierenden Kraft in eine radiale Richtung zieht. Bildlich gesprochen kann man sich dies so vorstellen, dass bei einer Teilung des Stators 20 in zwei Hälften jede Hälfte einen identischen Teil des Rotors sieht.
Allgemein ausgedrückt ist es hierfür vorteilhaft, wenn eine ganze Zahl Q existiert, welche größer als 2 oder gleich 2 ist, also einen oder mehrere der Werte 2, 3, 4, 5 etc. annimmt, wobei die Rotorpole 41 bis 46 bzgl. einer Drehung des Rotors 40 um einen Winkel 360 °mech. / Q symmetrisch ausgebildet sind. Die höheren Werte für Q sind naturgemäß eher für hochpolige Rotoren 40 relevant.
8 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Rotors 40 in abgewickelter Darstellung. Anders als in 7 verlaufen die Polübergänge 41' bis 46' nicht alle mit einer konstanten Steigung des Polübergangs, sondern die Polübergänge 41', 42', 43' und 44' verlaufen von der Seite 51 erst einmal schräg nach links und anschließend zur Seite 52 hin wieder schräg nach rechts. Diese Form kann auch als Schwalbenschwanzform bezeichnet werden. Die Pollängen PL' aller Pole 41 bis 46 sind wieder gleich, um ein Rotorlagesignal 241 mit Wechseln nach jeweils 60 °mech. zu erzeugen. Die Pollängen PL'' auf der entgegengesetzten Seite 52 sind auch wieder gleich, die Pollängen PL''' in der Mitte der Pole 41 bis 46 sind jedoch unterschiedlich lang. So ist die Pollänge PL''' der Pole 41 und 44 kleiner als der Durchschnitt, die der Pole 42 und 45 entsprechen dem Durchschnitt und die der Pole 43 und 46 sind größer als der Durchschnitt. Auch hier hat man also wieder ein für die Motorsteuerung geeignetes Rotorlagesignal 241 und eine für das Startmoment bei einem einphasigen Motor vorteilhafte Asymmetrie der Polflächen der Pole 41 bis 46.
Auch hier ist eine Symmetrie des Rotors 40 bzgl. einer Drehung um 180 °mech. vorgesehen.
6 zeigt das Rotorlagesignal 241, wie es mit dem Rotor 40 von 7 oder 8 erzeugt werden kann. Es ist gut zu sehen, dass das Signal 241 gut zur Kommutierung bzw. Steuerung des Motors geeignet ist, und der Motorstrom 240B hat eine viel symmetrischere Form als in 5. Hierdurch kann der Motor 10 ohne zusätzliche Sensorspur oder rechnerische Korrektur des Rotorstellungssignals direkt verwendet werden, wobei naturgemäß auch zusätzliche Korrekturen durchgeführt werden können.
Überblick Startverfahren
Da über eine Bestromung der gesamten Wicklungsanordnung 30 oder aber über eine Bestromung einer ersten Teilgruppe TG1 (z.B. Spulen 31, 32 in 1) und ggf. auch weiterer Teilgruppen TG2 (z.B. Spulen 33 bis 36 in 1) etc. der Wicklungsanordnung 30 ein Drehmoment erzeugt werden kann, ist auch ein Start des Motors möglich.
Startverfahren
Eine einfach Variante zum Starten des Motors 10 besteht darin, den Rotor 40 durch eine erste Bestromung der ersten Teilgruppe TG1 der Wicklungsanordnung 30 in eine vorgegebene erste Rotorstellung RS1 relativ zu der ersten Teilgruppe TG1 der Wicklungsanordnung 30 zu bewegen, und ausgehend von dieser Rotorstellung RS1 durch eine zweite Bestromung der gesamten Wicklungsanordnung 30 oder aber einer zweiten Teilgruppe TG2 den Motor 10 zu starten. Die Richtung der zweiten Bestromung und ggf. auch der ersten Bestromung erfolgt bei der Verwendung eines Rotorlagesensors 67 (vgl. 2) bevorzugt in Abhängigkeit vom Signal des Rotorlagesensors 67.
Nach dem erfolgreichen Start kann auf den normalen einphasigen Betrieb umgestellt werden.
Alternativ kann auch in Abhängigkeit vom Rotorlagesignal 241 bestimmt werden, welche der Teilgruppen TG1, TG2 bestromt werden soll, um einen Anlauf in eine vorgegebene Richtung zu bewirken.
Naturgemäß sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung viele Abwandlungen und Modifikationen möglich.
So kann an Stelle einer Vollbrückenschaltung auch eine einfach Brückenschaltung verwendet werden, die nur eine Bestromung der Spule 31, 32 etc. in eine Richtung ermöglicht, und es kann auch eine bifilare Wicklung erfolgen, bei der jede der Spulen auf einem Statorpol einer Bestromungsrichtung zugeordnet ist, so dass insgesamt bei S Statorpolen 2 S Spulen vorhanden sind. Es kann auch nur ein Teil der Statorpole bewickelt sein.
Es kann zusätzlich ein Reluktanz-Hilfsmoment vorgesehen werden, um beispielsweise häufiger eine Startposition zu erreichen, aus der ein Start über eine Bestromung zwischen erstem Wicklungsanschluss 11 und zweitem Wicklungsanschluss 12 zu erreichen, wobei dieses Reluktanz-Hilfsmoment schwächer ausgebildet sein kann als bei einem Motor, der auf eine entsprechend Ausrichtung des Rotors für den Start durch das Reluktanz-Hilfsmoment zwingend angewiesen ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013102124 A1 [0002, 0002, 0003]

Claims

Elektromotor (10), welcher aufweist: Einen Stator (20) mit einer Anzahl S von Statorpolen (21, 22, 23, 24, 25, 26), einen Rotor (40) mit einer Anzahl R von permanentmagnetischen Rotorpolen (41, 42, 43, 44, 45, 46), eine Wicklungsanordnung (30) eine Endstufe (50), welche dazu ausgebildet ist, einen Strom in der Wicklungsanordnung zu bewirken, einen Rotorlagesensor (67), welcher dazu ausgebildet ist, die Rotorlage des Rotors (40) zu erfassen und ein Rotorlagesignal (241) zu erzeugen, welches Rotorlagesignal (241) Wechsel aufweist, welche abhängig sind von der Rotorlage, wobei die Rotorpole (41–46) derart ausgebildet sind, dass der Abstand der benachbarten Wechsel des Rotorlagesignals jeweils einer Drehung des Rotors (40) um 360° / R entspricht, und wobei die der Statoranordnung zugewandte Fläche der Rotorpole derart ausgebildet ist, dass die Fläche mindestens eines ersten Rotorpols der R Rotorpole größer ist als die Fläche mindestens eines zweiten Rotorpols der R Rotorpole, um eine Asymmetrie der Größe der Flächen der Rotorpole zu erzeugen.
Elektromotor nach Anspruch 1, bei welchem der Rotorlagesensor auf einer ersten axialen Höhe angeordnet ist, und bei welchem die Rotorpole (41–46) jeweils einen ersten Teilbereich und einen zweiten Teilbereich aufweisen, wobei der erste Teilbereich axial näher am Rotorlagesensor angeordnet ist als der zweite Teilbereich, und wobei die Pollänge der Rotorpole (41–46) in Umfangsrichtung im ersten Bereich weniger unterschiedlich ist als im zweiten Bereich.
Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem Polfläche von zwei benachbarten Rotorpolen (41–46) unterschiedlich groß ist.
Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem zumindest bei einem Teil der Rotorpole (41–46) die Flächen der Rotorpole in der Abwicklung konvex ausgebildet sind, wobei bevorzugt bei allen Rotorpolen (41–46) die Flächen der Rotorpole in der Abwicklung konvex ausgebildet sind.
Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Polübergänge (43', 43'') zwischen den benachbarten Rotorpolen (41–46) zumindest teilweise unterschiedliche Schrägungen aufweisen, um die unterschiedliche Größe der Flächen der Rotorpole (41–46) zu erzeugen.
Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem eine ganze Zahl Q existiert, welche gleich 2 oder größer ist, wobei die Rotorpole (41–46) bezüglich einer Drehung des Rotors (40) um einen Winkel 360 °mech. / Q symmetrisch ausgebildet sind.
Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Rotorpole (41–46) einen ersten axialen Endbereich (51) und einen zweiten axialen Endbereich (52) aufweisen, wobei der zweite axiale Endbereich (52) auf der dem ersten axialen Endbereich (51) gegenüber liegenden Seite angeordnet ist, wobei die Rotorpole (41–46) im ersten axialen Endbereich (51) eine im Wesentlichen gleiche Pollänge in Umfangsrichtung aufweisen, und wobei sich die Polübergänge (41'–46') zwischen den Rotorpolen (41–46) zumindest teilweise mit unterschiedlichen Polschrägungen zum zweiten axialen Endbereich (52) hin erstrecken.
Elektromotor nach Anspruch 7, bei welchem sich die Polübergänge zwischen den Rotorpolen (41–46) in der Abwicklung zumindest bereichsweise entlang einer Geraden vom ersten axialen Endbereich (51) zum zweiten axialen Endbereich (52) hin erstrecken.
Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem mindestens ein Rotorpol (41, 43, 44, 46) vorgesehen ist, welcher in eine erste Umfangsrichtung (91) einen ersten Polübergang (43') und in eine der ersten Umfangsrichtung (91) entgegengesetzte Umfangsrichtung (92) einen zweiten Polübergang (46', 41'; 42', 43'; 43', 44'; 45', 46') aufweist, wobei mindestens ein axialer Höhenbereich (H) vorgesehen ist und für jede vorgegebene Höhe (h) innerhalb dieses Höhenbereichs (H) gilt, dass der erste Polübergang (43') auf der vorgegebenen Höhe (h) einen ersten Polübergangswinkel (α1) aufweist, dass der zweite Polübergang (44') auf der vorgegebenen Höhe (h) einen zweiten Polübergangswinkel (α2) aufweist, wobei sich der erste Polübergangswinkel (alpha1) vom zweiten Polübergangswinkel (α2) unterscheidet.
Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem ein einstückiger Magnetring vorgesehen ist, an welchem die Rotorpole (41–46) durch eine Magnetisiervorrichtung ausgebildet sind.
Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Rotorpole (41–46) in der Abwicklung auf der dem Stator (20) zugewandten Seite eine viereckige Kontur aufweisen.
Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Wicklungsanordnung einphasig ausgebildet ist, und bei welchem die Anzahl R der Rotorpole der Anzahl S der Statorpole entspricht.
Elektromotor nach Anspruch 12, bei welchem die einphasige Wicklungsanordnung einen ersten Wicklungsanschluss (11) und einen zweiten Wicklungsanschluss (12) aufweist, wobei über den ersten Wicklungsanschluss (11) und den zweiten Wicklungsanschluss (12) eine Anzahl W von Spulen der Wicklungsanordnung bestrombar sind, wobei bevorzugt W = S ist, eine Endstufe (50), welche dazu ausgebildet ist, einen Strom zwischen dem ersten Wicklungsanschluss (11) und dem zweiten Wicklungsanschluss (12) zu ermöglichen, eine erste Vorrichtung (13, 56), welche dazu ausgebildet ist, in Zusammenwirken mit der Endstufe eine Bestromung mindestens einer Teilgruppe (TG1, TG2) der W Spulen zu ermöglichen, wobei die mindestens eine Teilgruppe (TG1, TG2) mehr als Null der W Spulen und weniger als W der W Spulen umfasst.
Elektromotor (10) nach Anspruch 13, bei welchem die Rotorpole (41–46) dazu ausgebildet sind, bei jeder Rotorlage des Rotors (40) über zumindest einen der folgenden Bestromungsvorgänge – Bestromung aller W Spulen, oder – Bestromung der mindestens einen Teilgruppe (TG1, TG2) der Spulen die Erzeugung eines Drehmoments zu ermöglichen.
Elektromotor (10) nach Anspruch 13 oder 14, bei welchem mindestens zwei Teilgruppen (TG1, TG2) vorgesehen sind.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei welchem die erste Vorrichtung (13; 56) einen dritten Wicklungsanschluss (13) und einen Schalter (56) aufweist, um einen Strom zwischen dem ersten Wicklungsanschluss (11) oder dem zweiten Wicklungsanschluss (12) einerseits und dem dritten Wicklungsanschluss (13) andererseits zu ermöglichen.