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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet bürstenloser Wechselstrommotoren und insbesondere bürstenloser Zweiphasen-Wechselstrommotoren mit elektronischer Steuereinrichtung.
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Bekannte wechselstrombetriebene Motoren auf dem Markt sind entweder mit Bürsten versehen oder bürstenlos. Motoren mit Bürsten weisen eine geringe Effizienz und eine kurze Standzeit auf. Bürstenlose Motoren kommen in Anwendungen zum Einsatz, bei welchen eine lange Standzeit und Zuverlässigkeit erwünscht sind. PSC-Motoren (Phase Split Capacitor, Spaltphasenkondensator) sind bürstenlose Motoren, die aufgrund einfacher Anwendung und niedriger Kosten häufig zum Einsatz kommen. Bei PSC-Motoren kann jedoch die Umdrehungsgeschwindigkeit nicht direkt gesteuert werden und die Effizienz liegt üblicherweise bei weniger als 40 %. Der fortschrittlichste bürstenlose Motor in dieser Kategorie ist der elektronisch gesteuerte bürstenlose Motor, der für seine stufenlose Geschwindigkeitsregelung und hohe Effizienz von bis zu 80 % bekannt ist. Alle diese Motoren sind mit Hochspannungs-Gleichstrom betrieben und als bürstenlose Gleichstrommotoren (Brushless DC, BLDC), Invertermotoren oder elektronisch gesteuerte Induktionsmotoren bekannt. Diese elektronisch kommutierten Motoren beinhalten große Wärmesenken, Elektrolyt-Gleichstrom-Glättungskondensatoren und Schaltinduktoren zur Stromumwandlung. Die erforderlichen Komponenten zur Gleichstromumwandlung sind teuer und platzintensiv. Bei keinem dieser Entwürfe kann die gesamte elektronische Schaltung im Motorgehäuse untergebracht werden, mit Ausnahme derjenigen mit geringen Wattzahlen.
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Die vorliegende neue Erfindung ist ein alternativer Ansatz, um einen stufenlosen, bürstenlosen Motor mit Kosten zu implementieren, die mit denen für PSC-Motoren vergleichbar sind, jedoch einer Leistung, die so hoch wie die eines BLDC ist. Es handelt sich dabei um einen hocheffizienten und kompakten Motor mit eingebauter Elektronik.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen bürstenlosen Zweiphasen-Wechselstrommotor mit eingebetteter Elektronik bereitzustellen, dessen Kosten mit denen für PSC-Motoren vergleichbar sind, dessen Leistung jedoch so hoch wie die eines BLDC ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Steuersystem für einen bürstenlosen Zweiphasen-Wechselstrommotor mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Patentansprüche.
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In einem ersten Aspekt sieht die vorliegende Erfindung ein Steuersystem für einen bürstenlosen Zweiphasen-Wechselstrommotor vor. Das Steuersystem umfasst einen Positionssensor zum Ermitteln einer Position eines Rotors des Motors, einen Polaritätsdetektor zum Ermitteln einer Polarität einer Wechselstromversorgung für den Motor, einen ersten und zweiten Schaltkreis, die jeweils mit einer ersten und zweiten Phasenspule des Motors verbunden sind, einen Stromsensor zum Ermitteln der Stromführung der ersten und zweiten Phasenspule, und eine Steuereinrichtung zum Steuern der Stromführung des ersten und zweiten Schaltkreises gemäß Signalen, die von dem Positionssensor, dem Polaritätsdetektor und dem Stromsensor bereitgestellt werden, wobei das Steuersystem in den Motor eingebettet ist; der Polaritätsdetektor und der erste und zweite Schaltkreis mit der Steuereinrichtung verbunden sind; und die Steuereinrichtung dazu konfiguriert ist, den ersten Schaltkreis bei einem entsprechenden Zeitintervall in einem Wechselstromzyklus einzuschalten und den zweiten Schaltkreis einzuschalten, um ein weiteres Zeitintervall entsprechend der Position des Rotors auszugleichen.
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In vorteilhafter Weise umfasst das Steuersystem des Weiteren einen kleinen Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler, um die Wechselstromversorgung in eine Gleichstromversorgung umzuwandeln.
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In vorteilhafter Weise handelt es sich bei dem Positionssensor entweder um einen Hallsensor oder einen Gegen-EMK-Detektor; wenn zwei Hallsensoren verwendet werden, werden sie zwischen die erste und zweite Phasenspule eingesetzt.
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Wenn der Positionssensor durch Ermitteln der Spulen-Gegen-EMK arbeitet, werden in vorteilhafter Weise die Spannungen an den beiden Enden der Spule in einen Komparator geleitet, und ein positiver und negativer Eingang des Komparators wird auf 2,5 V pegelverschoben.
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Bei dem Polaritätsdetektor handelt es sich in vorteilhafter Weise um eine Vergleichsschaltung, die Wechselstromversorgung wird in einen positiven Eingang eines Komparators eingeführt und eine Konstantspannung von beispielsweise 2,5 V wird in einen negativen Eingang des Komparators geleitet.
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In vorteilhafter Weise umfassen sowohl der erste als auch der zweite Schaltkreis einen Triac.
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In vorteilhafter Weise wird ein Ausgangssignal des Triac zu der Steuereinrichtung zur Ermittlung der Stromführung der ersten und zweiten Phasenspule zurückgeführt.
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In vorteilhafter Weise werden sowohl die erste als auch die zweite Phasenspule aus einer einzigen Wechselstromversorgung gespeist; die Steuereinrichtung ist dazu konfiguriert, die erste und zweite Phasenspule bei entgegengesetzten Zeitzyklen der Wechselstromversorgung anzusteuern, wenn eine Geschwindigkeit des Rotors unterhalb der Hälfte einer Maximalgeschwindigkeit liegt, so dass, wenn die erste Phasenspule bei einem positiven Zyklus der Wechselstromversorgung angesteuert wird, die zweite Phasenspule bei einem negativen Zyklus der Wechselstromversorgung angesteuert wird und umgekehrt; und die Steuereinrichtung ist des Weiteren dazu konfiguriert, die erste Phasenspule bei einem ganzen Zeitzyklus der Wechselstromversorgung anzusteuern, wenn sich die Geschwindigkeit des Rotors einer maximalen Geschwindigkeit annähert.
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In vorteilhafter Weise ist die Steuereinrichtung dazu konfiguriert, die zweite Phasenspule dazu zu aktivieren, bei einem geeigneten Zeitzyklus der Wechselstromversorgung zu leiten, wenn sich der Rotor 90~180 Grad oder 270∼360 Grad dreht.
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In vorteilhafter Weise wird die Zeitverzögerung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Auslöseimpulsen, die von dem Triac zu der Steuereinrichtung zurückgeführt werden, genutzt, um eine Motordrehzahl zu steuern, und je geringer die Zeitverzögerung ist, desto schneller ist die Motordrehzahl.
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In einem zweiten Aspekt sieht die vorliegende Erfindung ein Motorsystem vor, das einen bürstenlosen Zweiphasen-Wechselstrommotor und ein System, wie in einem der vorhergehenden Absätze beschrieben, umfasst.
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In einem dritten Aspekt sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Steuern eines bürstenlosen Zweiphasen-Wechselstrommotors vor. Das Verfahren umfasst das Ermitteln einer Position eines Rotors des Motors, das Ermitteln einer Polarität einer Wechselstromversorgung für den Motor, das Ermitteln der Stromführung einer ersten und zweiten Phasenspule des Motors, und das Steuern der Stromführung der ersten und zweiten Phasenspule entsprechend Signalen der Position, Polarität und Stromführung; wobei die erste Phasenspule bei einem geeigneten Zeitintervall in einem Wechselstromzyklus eingeschaltet wird und die zweite Phasenspule entweder eingeschaltet wird, um das Zeitintervall auszugleichen oder in einem ausgeschalteten Zustand bleibt, entsprechend der Position des Rotors.
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In vorteilhafter Weise umfasst das Verfahren des Weiteren das Ansteuern der ersten und zweiten Phasenspule bei entgegengesetzten Zeitzyklen der Wechselstromversorgung, wenn eine Geschwindigkeit des Rotors unterhalb der Hälfte einer Maximalgeschwindigkeit liegt, so dass, wenn die erste Phasenspule bei einem positiven Zyklus der Wechselstromversorgung angesteuert wird, die zweite Phasenspule bei einem negativen Zyklus der Wechselstromversorgung angesteuert wird und umgekehrt; und das Ansteuern der ersten Phasenspule während des ganzen Zeitzyklus der Wechselstromversorgung, wenn sich die Geschwindigkeit des Rotors einer maximalen Geschwindigkeit annähert.
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In vorteilhafter Weise umfasst das Verfahren des Weiteren das Ansteuern der zweiten Phasenspule bei einem geeigneten Zeitzyklus der Wechselstromversorgung, wenn sich der Rotor 90~180 Grad oder 270∼360 Grad dreht.
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In vorteilhafter Weise umfasst das Verfahren des Weiteren das Einführen einer Zeitverzögerung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stromführungssignalen der ersten Phasenspule oder der zweiten Phasenspule, um eine Drehzahl des Motors zu steuern, und je kleiner die Zeitverzögerung ist, desto schneller ist die Drehzahl des Motors.
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Die vorliegende Erfindung ist ein direkter Wechselstrom-Antriebsmotor. Dabei werden Verluste durch die Wechselstrom/Gleichstrom-Umwandlung vermieden und nur einige wenige Komponenten benötigt, die dadurch im Motor eingebettet werden können. Der Motor weist ähnliche Vorteile wie der BLDC-Motor auf. Er bietet hohe Effizienz, eine stufenlose Drehzahlregelung, ist bürstenlos und bietet eine lange Standzeit. Darüber hinaus übertrifft er den BLDC-Motor durch niedrige Kosten und eine geringe Größe. Die vorliegende Erfindung ist mit Abstand der erste elektronische eingebettete bürstenlose Motor, der für Anwendungen mit niedriger Leistung bis hoher Leistung geeignet ist. Die meisten bürstenlosen Motoren mit eingebetteter Elektronik weisen eine Leistung von unter 100 W auf. Hohe Leistungen bei bürstenlosen Motoren mit eingebetteter Elektronik beginnen bei 100 W und mehr.
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Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend beispielhaft Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, die sich wie folgt darstellen:
- 1 ist ein Blockdiagramm eines Steuer- und Motorsystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
- 2a bis 2d zeigen Strukturen von bürstenlosen Zweiphasen-Wechselstrommotoren mit unterschiedlichen Polen;
- 3a bis 3c zeigen Leitungszyklen der Spule QA und der Spule QB;
- 4a ist eine Querschnittdarstellung des Motors, wenn die Spule QA leitet;
- 4b zeigt einen positiven Zyklus, wenn die Spule QA des Motors aus 4a leitet;
- 5a ist eine Querschnittdarstellung des Motors, wenn die Spule QB leitet;
- 5b zeigt einen positiven Zyklus, wenn die Spule QB des Motors aus 5a leitet;
- 6a ist eine Querschnittdarstellung des Motors, wenn QA leitet;
- 6b zeigt einen negativen Zyklus, wenn QA des Motors aus 6a leitet;
- 7a ist eine Querschnittdarstellung des Motors, wenn QB leitet;
- 7b zeigt einen negativen Zyklus, wenn QB des Motors aus 7a leitet;
- 8a ist eine Querschnittdarstellung des Motors, wenn die Spule QA leitet;
- 8b zeigt einen positiven Zyklus, wenn die Spule QA des Motors aus 4a leitet;
- 9 ist ein Schaltplan eines Polaritätsdetektors;
- 10 ist ein Schaltplan eines Positionssensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 11 ist ein Strukturdiagramm eines Positionssensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 12 ist ein Schaltplan eines Stromsensors;
- 13 zeigt eine Zeitverzögerung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Auslöseimpulsen Td;
- 14 ist ein Flussdiagramm des Verfahrens zum Steuern des bürstenlosen Zweiphasen-Wechsel strommotors.
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Die vorliegende Erfindung wird nun ausführlich beispielhaft unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben. Es versteht sich, dass die Zeichnungen lediglich dem besseren Verständnis dienen und nicht als Einschränkung für die vorliegende Erfindung aufzufassen sind. Die Maße von in den Zeichnungen dargestellten Komponenten und Merkmalen wurden im Allgemeinen für mehr Komfort und Übersichtlichkeit bei der Darstellung gewählt und sind nicht unbedingt maßstabsgetreu.
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Gleiche Ziffern in den Zeichnungen, sofern vorhanden, weisen in allen Zeichnungen auf gleiche Komponenten hin. Die Verwendung von „eines/eine/einer“ und „der/die/das“ in der Beschreibung und den folgenden Ansprüchen schließt jeweils den Plural mit ein, sofern der Kontext nicht deutlich etwas anderes nahelegt. Die Verwendung von „in“ schließt darüber hinaus „in“ und „an“ in der Beschreibung und den Ansprüchen mit ein, sofern der Kontext nicht deutlich etwas anderes nahelegt. Ferner können in der Beschreibung zum besseren Verständnis des Lesers Titel oder Untertitel verwendet werden, die jedoch keinen Einfluss auf den Geltungsbereich der vorliegenden Offenlegungsschrift haben.
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Die Begriffe „um“, „ungefähr“, „etwa“ oder „annähernd“ bedeuten im Allgemeinen innerhalb von 20 Prozent, vorzugsweise innerhalb von 10 Prozent und noch besser innerhalb von 5 Prozent eines gegebenen Wertes oder Bereichs.
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Der Begriff „Vielzahl“ bedeutet zwei oder mehr.
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Die Begriffe „umfassen“, „einschließen“, „tragen“, „aufweisen“, „enthalten“, „beinhalten“ und dergleichen sind hierbei als unbegrenzt aufzufassen, d.h. als einschließend und nicht begrenzend.
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Wie in 1 bis 3 dargestellt, umfasst das Motorsystem ein Steuersystem 1 und einen bürstenlosen Zweiphasen-Wechselstrommotor 2. Der Strom für das Motorsystem 1 wird von einer Wechselstromversorgung 3 bereitgestellt. Die Wechselstromversorgung 3 ist dabei ein Hausanschluss, wobei auch andere Stromversorgungen gleichermaßen zum Einsatz kommen können, die dazu in der Lage sind, eine Wechselspannung bereitzustellen.
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Wie in 2a bis 2b dargestellt, kann der Motor 2 einen zweipoligen oder vierpoligen Rotor 21 umfassen, der sich relativ zu einem Stator 22 dreht. Der Stator 22 ist eine Einheit, die den Rotor 21 umschließt. Die Anzahl der Schlitze in dem Stator verdoppelt die Anzahl der Pole in dem Rotor. Um den Stator 22 sind leitfähige Drähte gewickelt und angeschlossen, um zwei Phasenspulen (Wicklungen) QA und QB zu bilden. Es versteht sich, dass sich die Anzahl der Pole des Rotors auch auf sechs, acht oder einen anderen geeigneten Wert belaufen kann.
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Das Steuersystem 1 umfasst einen Positionssensor 11 zum Ermitteln einer Position des Rotors 21 des Motors 2, einen Polaritätsdetektor 12 zum Ermitteln einer Polarität der Wechselstromversorgung 3 für den Motor 2, einen Stromsensor 13 zum Ermitteln der Stromführung eines ersten und zweiten Schaltkreises 15 und 16, und eine Steuereinrichtung 14 sowie den ersten und zweiten Schaltkreis 15 und 16. Wie in 1 dargestellt, kann die Steuereinrichtung 14 in einem Ausführungsbeispiel eine MCU sein, wobei jedoch gleichermaßen eine andere Steuereinrichtung verwendet werden kann. Bei den zwei Schaltkreisen 15 und 16 kann es sich um zwei Triac-Schaltungen handeln, wobei auch andere Schaltkreise eingesetzt werden können, die zum Schalten unter Wechselstrom in der Lage sind. Das Steuersystem 1 ist in den Motor 2 eingebettet. Der Positionssensor 11, der Polaritätsdetektor 12, der Stromsensor 13 sowie der erste und zweite Schaltkreis 15 und 16 sind mit der Steuereinrichtung 14 verbunden. Die Steuereinrichtung 14 ist dazu konfiguriert, den ersten Schaltkreis 15 bei einem geeigneten Zeitintervall in einem Wechselstromzyklus einzuschalten und den zweiten Schaltkreis 16 einzuschalten, um das Zeitintervall zu kompensieren, entsprechend der Position des Rotors 21.
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In einem Ausführungsbeispiel, wie in 10 dargestellt, kann es sich bei dem Positionssensor 11 um eine Vergleichsschaltung zum Ermitteln einer Spulen-Gegen-EMK (elektromotorische Kraft) handeln. Die Spannungen an den beiden Enden der Spule QA oder QB werden über die Widerstände R2 bzw. R3 in den Komparator 111 geleitet, und ein positiver und negativer Eingang des Komparators wird auf 2,5 V Pegel verschoben.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel, wie in 11 dargestellt, kann der Positionssensor 11 auch ein Hallsensor 112 sein. Zwei Hallsensoren sind zwischen die erste und zweite Phasenspule QA und QB eingesetzt.
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Bei dem Polaritätsdetektor 12 kann es sich auch um Vergleichsschaltungen handeln. Wie in 9 dargestellt, wird die Wechselstromversorgung in einen positiven Eingang eines Komparators über einen Widerstand R1 eingeleitet, und eine Konstantspannung wird direkt in einen negativen Eingang des Komparators geleitet. Der Polaritätsdetektor 12 und der Positionssensor 11 können einen einzigen Komparator 111 verwenden. So kann beispielsweise der Funktionsverstärker LM 324 (Texas Instruments, Mexiko) als der Komparator 111 verwendet werden. Die Konstantspannung kann beispielsweise 2,5 V betragen, doch kann gleichermaßen auch ein anderer geeigneter Wert entsprechend dem Komparator verwendet werden.
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Die Konfigurationen des ersten und zweiten Schaltkreises 15 und 16 können identisch sein, so dass zum Zwecke der Vereinfachung in der vorliegenden Erfindung lediglich eine Schaltung zur Erläuterung des ersten und zweiten Schaltkreises 15 und 16 vorgesehen ist. Wie in 12 dargestellt, umfassen sowohl der erste als auch der zweite Schaltkreis 15 und 16 jeweils einen Triac. 12 zeigt den Treiber zum Auslösen des Triac. Um eine Stromführung des ersten und zweiten Schaltkreises 15 und 16 (d.h. die Stromführung der Spule QA und QB) zu ermitteln, wird von dem Anschluss des Triac für QA oder QB ein Signal IA oder IB abgenommen und anschließend über einen Widerstand R5 zur Steuereinrichtung 14 zurückgeführt. Wenn IA (oder IB) = logische „0“, ist der Triac ausgeschaltet, so dass kein Strom durch die Spule QA (oder QB) fließt. Andernfalls ist die Spule QA (oder QB) erregt und es fließt Strom hindurch. Folglich fungiert die Schaltung, die den Widerstand R5 zwischen dem Triac und der Steuereinrichtung verbindet, als der Stromsensor 13. Im Stand der Technik werden 4 IGBT/MOSFETs verwendet, die in einer H-Brücken-Konfiguration verbunden sind. Der Eingangsstrom wird gleichgerichtet und das System ist eigentlich ein U-Motor mit einer PWM-Leistungssteuerung. Dies ist nahe an der vorliegenden Erfindung, wobei der Unterschied darin besteht, dass die vorliegende Erfindung deutlich einfacher ist. Die vorliegende Erfindung beinhaltet eine Triac-Steuerschaltung, die allgemein bei einem Einphasen-Synchronmotor verwendet wird. Sie verteilt den Wechselstromeingang auf zwei Wicklungen, um die Drehzahl variabel zu machen. Aufgrund ihrer Einfachheit ist die vorliegende Erfindung mühelos auf Anwendungen mit höherer Leistung erweiterbar und zielt auf einen kostengünstigen Ersatz für PSC-Motoren ab.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann das Steuersystem 1 auch einen Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler umfassen, um die Wechselstromversorgung in eine Gleichstromversorgung umzuwandeln. Die Gleichstromversorgung kann 5 V, 3,3 V oder 1,8 V betragen, doch kann gleichermaßen auch ein anderer geeigneter Wert entsprechend den tatsächlichen Anforderungen verwendet werden.
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Motorbetrieb
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Nachfolgend wird der Betrieb des Motorsystems beschrieben, wenn es aus einer Standdrehzahl auf eine Laufdrehzahl beschleunigt. Um die Herstellung zu vereinfachen, ist die Wicklung (Spule) dieses Motors ähnlich der eines typischen BLDC-Motors oder Schrittmotors. Ihre Funktionsmechanismen sind jedoch völlig unterschiedlich. Wie der Name vermuten lässt, besteht der Zweiphasenmotor aus zwei separaten Wicklungsspulen. Somit besteht der Stator aus zwei Spulen, die in einer vierschlitzigen Struktur mit zwei Polen gewickelt sind. Ein typisches Verhältnis von Schlitzen zu Polen in Motoren kann 4:2, 8:4, 16:8 etc. betragen. Da der Motor mit Wechselstrom betrieben wird, wird die Drehzahlbegrenzung durch folgende Gleichung für synchronisierte Wechselstrommotoren geregelt: U/min =120 * f/p. Das heißt, ein zweipoliger Rotor kann unter Verwendung einer Energie von 50 Hz 3000 U/min nicht überschreiten (oder 3600 U/min bei einer Energie von 60 Hz). Entsprechend kann ein vierpoliger Rotor 1500 U/min nicht überschreiten (oder 1800 U/min bei einer Energie von 60 Hz). Die elektronische Steuerung ist eine Analogie zu dem Zünder eines Verbrennungsmotors in einem Auto. Durch Ermitteln der Position des Rotors zündet die MCU den Triac, um ausreichenden Strom bereitzustellen, damit die Statorwicklung eine elektromechanische Kraft erzeugt, um den Rotor anzutreiben. Dank des zweiphasigen Aufbaus kann der Motor gleichmäßig laufen. Dabei treibt die erste Phasenwicklung den Rotor zu einer Drehung um 90 Grad an, gefolgt davon, dass die zweite Phasenwicklung den Rotor zur Weiterdrehung um die nächsten 90 Grad antreibt. Der zweiphasige Aufbau ist notwendig, wenn der Motor unterhalb seiner Maximalgeschwindigkeit läuft.
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In der vorliegenden Erfindung müssen die Spule QA und die Spule QB bei unterschiedlichen Zeitzyklen der Wechselstromversorgung arbeiten. Die Spule QA und QB werden beide aus einer einzigen Wechselstromquelle gespeist, sind jedoch um 180 Grad verdreht. Wie in 3a bis 3c dargestellt, sieht der Aufbau vor, dass, wenn die Spule QA bei einem positiven Zyklus (schraffierte Linien) der Wechselstromversorgung arbeitet, die Spule QB bei dem negativen Zyklus arbeitet, und umgekehrt. Wenn alternativ die Spule QA auf einem vollständigen Wechselstromzyklus arbeitet, muss die Spule QB überhaupt nicht arbeiten. Entscheidend dabei ist, dass diese beiden Spulen nicht gleichzeitig arbeiten. Unabhängig von den Zeitintervallen leiten entweder QA oder QB Strom. Dies ist erforderlich, um sicherzustellen, dass der Rotor bei allen Drehzahlen stets mit Strom versorgt wird und keine Freilaufsituationen entstehen.
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Bei einer Geschwindigkeit von oberhalb ½ der Maximalgeschwindigkeit kann die Spule Strom sowohl bei einem positiven als auch einen negativen Zyklus der Versorgungsspannung leiten. Insbesondere wird sich der Rotor bei Maximalgeschwindigkeit schnell genug drehen, so dass die Hilfsspule (die zweite Spule) keine Chance hat, Strom zu leiten. So wird in diesem Szenario nur eine der beiden Spulen Strom leiten. Dies wirkt wie ein Einphasen-Synchronmotor. Die Ungewissheit besteht in der Motordrehzahl zwischen ½ der Maximalgeschwindigkeit und der Maximalgeschwindigkeit. In diesem Bereich muss das Überlappen des Spulenstroms in demselben Zeitintervall vermieden werden, da die Spulen im Wesentlichen ein entgegengesetztes Magnetfeld erzeugen. Wenn also zwei Spulen zum selben Zeitpunkt arbeiten, wird Energie verschwendet, da sich die elektromagnetischen Kräfte gegenseitig auslöschen und kein verwendbares mechanisches Drehmoment erzeugt wird. Die Regeln sind im einzelnen beispielhaft nachfolgend dargestellt, wobei jede vollständige Umdrehung 4 Schritte beinhaltet:
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Schritt 1:
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Wie in 4a und 4b dargestellt, beginnt die Umdrehung damit, dass die Spule QA während eines positiven Zyklus des Wechselstroms Strom leitet. Nun wird der Rotor abgestoßen und dreht sich in einer definierten Richtung. Es versteht sich, dass die Spule QA auch so konstruiert sein kann, dass sie Strom während des negativen Zyklus der Wechselstromversorgung leitet.
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Schritt 2:
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Wie in 5a und 5b dargestellt, wird QB in Abhängigkeit von der Position des Rotors, wenn sich der Rotor um >90 Grad, jedoch <180 Grad dreht und in den nächsten negativen Zyklus der Stromversorgung fällt, leiten und den Motor am Laufen halten.
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Wenn der Rotor jedoch, wie in 6a und 6b dargestellt, schnell genug ist (oberhalb der Hälfte der Maximalgeschwindigkeit) und es auf 180 Grad schafft, leitet die Spule QA beim negativen Zyklus der Wechselstromversorgung. Dabei wird die Spule QB umgangen. Das heißt, für die Umdrehung des Motors ist lediglich die Spule QA verantwortlich.
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Schritt 3:
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Wie in 7a und 7b dargestellt, leitet die Spule QB bei einem umgekehrten negativen Zyklus der Wechselstromversorgung, wenn die Position des Rotors zwischen 270 Grad und 360 Grad liegt.
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Wenn der Rotor jedoch, wie in 8a und 8b dargestellt, schnell genug ist (oberhalb der Hälfte der Maximalgeschwindigkeit) und es auf 360 Grad schafft, leitet die Spule QA beim positiven Zyklus des Wechselstroms. Nun geht es zurück zu Schritt 1. Dabei wird die Spule QB umgangen. Das heißt, für die Umdrehung des Motors ist lediglich die Spule QA verantwortlich.
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Steuerverfahren
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Das Verfahren zum Steuern des Motors zum Betrieb bei verschiedenen Drehzahlen wird nachfolgend beschrieben. Wie in 14 dargestellt, umfasst das Verfahren zum Steuern des bürstenlosen Zweiphasen-Wechselstrommotors folgende Schritte:
- S102, Ermitteln einer Position eines Rotors des Motors;
- S104, Ermitteln einer Polarität einer Wechsel stromversorgung für den Motor;
- S106, Ermitteln der Stromführung einer ersten und zweiten Phasenspule des Motors; und
- S108, Steuern der Stromführung der ersten und zweiten Phasenspule entsprechend Signalen der Position, Polarität und Stromführung; wobei die erste Phasenspule für ein Zeitintervall in einem Wechselstromzyklus abgeschaltet wird und die zweite Phasenspule eingeschaltet wird, um das Zeitintervall entsprechend der Position des Rotors auszugleichen.
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In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können die Schritte 102 bis 106 parallel ausgeführt werden. Allerdings können in einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Schritte 102 bis 106 nacheinander ausgeführt werden.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren des Weiteren das Ansteuern der ersten und zweiten Phasenspule bei entgegengesetzten Zeitzyklen der Wechselstromversorgung, wenn eine Geschwindigkeit des Rotors unterhalb der Hälfte einer Maximalgeschwindigkeit liegt, so dass, wenn die erste Phasenspule bei einem positiven Zyklus der Wechselstromversorgung angesteuert wird, die zweite Phasenspule bei einem negativen Zyklus der Wechselstromversorgung angesteuert wird und umgekehrt; und das Ansteuern der ersten Phasenspule während des ganzen Zeitzyklus der Wechselstromversorgung, wenn sich die Geschwindigkeit des Rotors einer maximalen Geschwindigkeit annähert.
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Insbesondere umfasst das Verfahren des Weiteren das Ansteuern der zweiten Phasenspule bei einem geeigneten Zeitzyklus der Wechselstromversorgung, wenn sich der Rotor 90~180 Grad oder 270~360 Grad dreht.
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Genauer gesagt wird, wie in 13 dargestellt, eine Zeitverzögerung Td zwischen zwei auf einander folgenden Stromführungssignalen der ersten Phasenspule oder der zweiten Phasenspule eingeführt, um eine Drehzahl des Motors zu steuern. Td ist die minimale stromfreie Zeit, nachdem der Spulenstrom auf null zurückkehrt. Die Einführung von Td dient zum Regulieren der Stromversorgung der Spule. Wenn, mit anderen Worten, Td kleiner wird, wird mehr Strom zu der Spule geleitet und sie wird schneller laufen.
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Zunächst wird der Bereich definiert, in dem die Spule QA Strom führt. Die drei Bedingungen dafür, dass die Spule QA Strom führt, lauten wie folgt:
- 1. (Wechselstrompolarität) XOR (Positionssensor A) = 1;
- 2. IB = 0;
- 3. Intervall außerhalb Tb (keine Stromführung).
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Entsprechend lauten die drei Bedingungen dafür, dass die Spule QB Strom führt, wie folgt:
- 1. [NICHT (Wechselstrompolarität)] XOR (Positionssensor B) = 1
- 2. IA = 0;
- 3. Intervall außerhalb Tb (keine Stromführung).
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Wobei „Wechselstrompolarität“ bedeutet, dass es sich um den richtigen Zeitzyklus der Wechselstromversorgung handelt, damit die Spule QA oder QB leitet, und „Positionssensor“ bedeutet, dass die Drehung der Spule QA oder QB im richtigen Gradbereich liegt, wie in den vorhergehenden Absätzen beschrieben.
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Durch die akkurate Steuerung der Zuleitung von Wechselstrom kann mit der vorliegenden Erfindung die Drehung des Rotors bei einer erwünschten Drehzahl und Richtung gehalten werden. Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um ein zweiphasiges System. Selbstverständlich gibt es im Stand der Technik bereits zahlreiche zweiphasige Motorkonstruktionen. Diese beinhalten BLDC-Motoren, CPU-Lüftermotoren, PSC-Motoren oder Synchronmotoren etc. Doch keiner davon ist wie die vorliegende Erfindung. Die Hauptunterschiede lauten wie folgt:
- 1. Die vorliegende Erfindung wird von einer Wechselstromquelle angetrieben. Es ist keine H-Brücken-Struktur und kein PWM Mechanismus involviert. Damit handelt es sich nicht um dasselbe wie BLDC oder Ableitungen davon.
- 2. Bei zweiphasigen PSC-Motoren oder zweiphasigen Synchronmotoren dient die sekundäre Spule zur Unterstützung beim Starten des Motors. Dagegen wird die sekundäre Spule in der vorliegenden Erfindung hauptsächlich zur Steuerung von Drehzahl und Richtung verwendet.
- 3. In der vorliegenden Erfindung arbeiten die zwei Spulen des Motors in separaten Zeitbereichen. Der Hauptvorteil besteht darin, dass der Motor keinen „Totbereich“ oder Startschwierigkeiten aufweist, wie BDLC oder PSC-Motoren.
