DE102017126587A1

DE102017126587A1 - Motor und Motortreiberschaltung

Info

Publication number: DE102017126587A1
Application number: DE102017126587.2A
Authority: DE
Inventors: Chiping Sun; Xiuwen YANG; Shinghin Yeung; Shujuan Huang; Yunlong Jiang
Original assignee: Johnson Electric SA
Current assignee: Johnson Electric International AG
Priority date: 2016-11-15
Filing date: 2017-11-13
Publication date: 2018-05-17
Also published as: US20180138842A1; US20180138848A1; JP2018093709A; JP2018093708A; DE102017126621A1

Abstract

Es werden ein Motor (10) und eine Treiberschaltung (19) für den Motor angegeben. Die Motortreiberschaltung (19) umfasst einen steuerbaren bidirektionalen Wechselstromschalter (26), der zwischen zwei Anschlüssen der Wechselstromversorgung (24) mit einer Wicklung des Motors verbunden ist; und einen ersten und einen zweiten Positionssensor. Der erste Positionssensor und der zweite Positionssensor sind jeweils konfiguriert für die Erfassung von Magnetpolpositionen des Rotors (11). Der erste Positionssensor und der zweite Positionssensor geben Magnetpolpositionssignale mit entgegengesetzten Phasen aus, wenn ein gleicher Magnetpol des Rotors (11) erfasst wird. In der Rastposition des Motors sind der erste Positionssensor und der zweite Positionssensor bezüglich einer Verbindungslinie, die die Mitten von entgegengesetzten Magnetpolen des Rotors durchquert, jeweils mit einem Voreilwinkel angeordnet, so dass der Motor über ein großes Anlaufdrehmoment verfügen kann.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft das Gebiet der Motorsteuerung und insbesondere einen Motor und eine Motortreiberschaltung.
QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
HINTERGRUND
Bei einem Vorgang zum Starten eines Synchronmotors erzeugt ein Elektromagnet eines Stators ein alternierendes Magnetfeld, wodurch ein Permanentmagnetrotor mitgeschleppt und in Schwingung versetzt wird. Wenn der Rotor eine ausreichende kinetische Energie erlangt, vergrößert sich die Schwingungsamplitude des Rotors weiter, und schließlich wird eine Drehung des Rotors rasch beschleunigt, so dass diese synchron zu dem alternierenden Magnetfeld des Stators ist. In der Praxis verhält es sich so, dass beim Starten des Motors aus der Rastposition in einer Anlaufphase des Motors eine alternierende Stromversorgung einen Strom ändert, der durch eine Statorwicklung fließt, und zwar basierend auf einer Ausgabe eines Hallsensors. Da sich der Strom, der durch die Statorwicklung fließt, nicht plötzlich ändert, sondern wegen der physikalischen Eigenschaften der Wicklung langsam größer wird, nimmt auch die Eingangsleistung Pinput (Pinput = V_Bemf × I_motor, wobei V_Bemf eine gegenelektromotorische Kraft und I_motor der Strom der Statorwicklung ist) langsam zu. Wenn die Eingangsleistung P_input nicht ausreichend groß ist, um die Anlaufreibung zwischen einer Welle und einer Wellenmuffe des Motors und eine Trägheit der Motorlast wie beispielsweise einer Pumpe oder eines Gebläses zu überwinden, bleibt der Motor weiterhin stehen und kann nicht normal anlaufen, selbst wenn der Motor mit Strom versorgt wird.
ÜBERSICHT
Angesichts der vorstehenden Ausführungen wird eine Motortreiberschaltung benötigt, die für ein großes Anlaufdrehmoment sorgt und die Vorwärtsdrehung (in Uhrzeigerrichtung) und die Rückwärtsdrehung (in Gegenuhrzeigerrichtung) eines Motors steuert. Ebenso wird ein Motor benötigt, der diese Treiberschaltung enthält.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Motortreiberschaltung angegeben, die vorgesehen ist zum Treiben eines Rotors eines Motors, so dass sich der Rotor relativ zu einem Stator des Motors dreht, wobei die Treiberschaltung umfasst:

einen steuerbaren bidirektionalen Wechselstromschalter, der zwischen zwei Anschlüssen einer Wechselstromversorgung mit einer Wicklung des Motors verbunden ist; und
einen ersten Positionssensor und einen zweiten Positionssensor, die jeweils konfiguriert sind für die Erfassung von Magnetpolpositionen des Rotors und für die Ausgabe von Magnetpolpositionssignalen mit entgegengesetzen Phasen, wenn ein gleicher Magnetpol des Rotors erfasst wird,
wobei der erste Positionssensor und der zweite Positionssensor in einer Rastposition des Motors bezüglich einer die entgegengesetzten Magnetpole des Rotors durchquerenden Verbindungslinie jeweils mit einem Voreilwinkel angeordnet sind.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Motor angegeben, der einen Stator, einen Rotor und eine Motortreiberschaltung wie vorstehend beschrieben umfasst.
In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Positionssensoren unter dem Voreilwinkel entlang einer Umfangsrichtung des Rotors angeordnet. Auf diese Weise wird in einer Anlaufphase des Motors eine Zeit verlängert, in der die Positionssensoren den aktuellen Magnetpol des Rotors erfassen, und ein Strom gelangt in einer früheren Phase in die Statorwicklung und/oder der Strom gelangt über einen längeren Zeitraum in die Statorwicklung. Deshalb wird die Eingangsleistung des Motors vergrößert, wodurch der Motor ein größeres Anlaufdrehmoment erzeugt, um die Reibung einer Drehwelle und die Trägheit einer Last zu überwinden und gleichmäßig anzulaufen, wodurch der Wirkungsgrad des Motors deutlich vergrößert wird.
Figurenliste
In den Zeichnungen zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer Schaltung eines Motors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt schematisch Positionen eines ersten Hallsensors und eines zweiten Hallsensors in 1 bezüglich eines Rotors in einer Implementierung;
3 zeigt schematisch Positionen eines ersten Hallsensors und eines zweiten Hallsensors in 1 bezüglich eines Rotors in einer weiteren Implementierung;
4 zeigt schematisch ein Funktionsprinzip eines Hallsensors;
5 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer Drehrichtungssteuerschaltung;
6 zeigt schematisch eine Schaltung eines Motors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 zeigt schematisch eine Schaltung eines Motors gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8 zeigt schematisch eine Schaltung eines Motors gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 zeigt schematisch eine Schaltung eines Motors gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
10A und 10B zeigen Vergleichsdiagramme einer Eingangsleistung eines Motors gemäß der konventionellen Technologie und eines Motors in einer Implementierung gemäß vorliegender Erfindung.

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben.
DETAILBESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die technischen Lösungen in den Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend in Verbindung mit den Zeichnungen verständlich und umfassend beschrieben. Die beschriebenen Ausführungsformen sind nur ein Teil der möglichen Ausführungsformen der Erfindung. Sofern der Fachmann auf der Grundlage der vorliegenden Ausführungsformen ohne erfinderisches Zutun zu weiteren Ausführungsformen gelangt, fallen diese Ausführungsformen sämtlich in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung. Es versteht sich, dass die Zeichnungen lediglich Darstellungszwecken dienen und vorliegende Erfindung nicht einschränken. Die Verbindungen in den Zeichnungen dienen lediglich der Verdeutlichung der Beschreibung und stellen keine Einschränkung auf eine Verbindungsart dar.
Wenn angegeben ist, dass ein Element mit einem anderen Element „verbunden“ ist, kann diese Verbindung direkt oder über ein Zwischenelement erfolgen. Sämtliche technischen und wissenschaftlichen Fachbegriffe in der Beschreibung haben die dem Fachmann bekannte übliche Bedeutung, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist. Die verwendeten Begriffe dienen lediglich zur Beschreibung der Ausführungsformen und stellen keine Einschränkung der Erfindung dar.
Es wird auf 1 Bezug genommen, die schematisch eine Treiberschaltung eines Motors 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Der Motor 10 kann sich in zwei Richtungen drehen, d.h. vorwärts (in Uhrzeigerrichtung) und rückwärts (in Gegenuhrzeigerrichtung). Der Motor hat einen Stator und einen Rotor 11, der sich relativ zu dem Stator drehen kann. Der Stator hat einen Statorkern und eine um den Statorkern herumgeführte Statorwicklung 16. Der Statorkern kann aus einem weichmagnetischen Material bestehen, zum Beispiel aus reinem Eisen, Gusseisen, Gussstahl, Siliziumstahl und Ferrit. Der Rotor 11 ist ein Permanentmagnetrotor, der sich bei Verbindung der Statorwicklung 16 mit einer Wechselstromversorgung (AC-Versorgung) 24 im stationären Betriebszustand des Motors mit einer konstanten Drehzahl von 60 f/p Umdrehungen pro Minute dreht, wobei f eine Frequenz der Wechselstromversorgung und p die Anzahl von Polpaaren des Rotors ist. In der Ausführungsform hat der Statorkern zwei entgegengesetzte Pole (nicht gezeigt). Jeder der Pole hat einen Polbogen. Eine Außenfläche des Rotors liegt dem Polbogen gegenüber, und zwischen der Außenfläche des Rotors und dem Polbogen ist ein im Wesentlichen einheitlicher Luftspalt gebildet. Der Begriff „einheitlicher Luftspalt“ bedeutet vorliegend, dass der Luftspalt in dem überwiegenden Raum zwischen dem Stator und dem Rotor einheitlich ist, und dass nur in einem kleinen Bereich des Raums zwischen dem Stator und dem Rotor der Luftspalt uneinheitlich ist. Vorzugsweise ist in dem Polbogen des Stators eine konkave Anlaufnut angeordnet, und der andere Teil des Polbogens ist mit Ausnahme der Anlaufnut konzentrisch zu dem Rotor 11. Mit vorstehend beschriebener Konfiguration kann ein nicht gleichförmiges Magnetfeld gebildet werden, so dass der Rotor 11 jedes Mal, wenn der Motor 10 unter der Steuerung einer Motortreiberschaltung 19 angetrieben wird, über ein Anlaufdrehmoment verfügt. In der Ausführungsform haben der Stator und der Rotor 11 jeweils zwei Magnetpole. Es versteht sich, dass die Anzahl der Magnetpole des Stators in mehreren Ausführungsformen gegebenenfalls nicht gleich der Anzahl der Magnetpole des Rotors entspricht und dass der Stator und der Rotor mehr Magnetpole aufweisen können, zum Beispiel vier oder sechs Magnetpole.
Die Statorwicklung 16 des Motors 10 und die Motortreiberschaltung 19 sind zwischen zwei Anschlüssen der Wechselstromversorgung 24 in Reihe geschaltet. Die Motortreiberschaltung 19 kann die Vorwärts- und die Rückwärtsdrehung des Motors steuern. Die Wechselstromversorgung 24 kann eine Netzstromversorgung von 220 V, 230 V sein oder eine Wechselstromversorgung, die von einem Inverter bereitgestellt wird.
Die Motortreiberschaltung 19 umfasst eine erste Erfassungsschaltung, eine zweite Erfassungsschaltung, einen Gleichrichter, einen steuerbaren bidirektionalen Wechselstromschalter 26, eine Schaltersteuerschaltung 30 und eine Drehrichtungssteuerschaltung 50. Der steuerbare bidirektionale Wechselstromschalter 26 ist zwischen einen ersten Knoten A und einen zweiten Knoten B geschaltet, und die Statorwicklung 16 und die Wechselstromversorgung 24 sind zwischen dem ersten Knoten A und dem zweiten Knoten B in Reihe geschaltet. Ein erster Eingangsanschluss 11 des Gleichrichters ist über einen Widerstand R0 mit dem ersten Knoten A und ein zweiter Eingangsanschluss 12 des Gleichrichters mit dem zweiten Knoten B verbunden. Der Gleichrichter ist konfiguriert für die Umwandlung der Wechselstromversorgung in Gleichstrom und für die Zufuhr des Gleichstroms zur ersten Erfassungsschaltung und zur zweiten Erfassungsschaltung.
In anderen Implementierungen sind die Statorwicklung 16 und der steuerbare bidirektionale Wechselstromschalter 26 zwischen dem ersten Knoten A und dem zweiten Knoten B in Reihe geschaltet, und die externe Wechselstromversorgung ist zwischen den ersten Knoten A und den zweiten Knoten B geschaltet.
Die erste Erfassungsschaltung und die zweite Erfassungsschaltung erfassen jeweils Positionen der Magnetpole des Rotors 11 des Motors, indem sie eine Stärke eines Magnetfeldes der Magnetpole des Rotors erfassen, und geben entsprechende Magnetpolpositionssignale wie beispielweise 5V und 0V aus ihren Ausgangsanschlüssen aus. Die erste Erfassungsschaltung und die zweite Erfassungsschaltung sind vorzugsweise Hallsensoren wie lineare Hallsensoren oder Hallsensoren vom Schaltertyp, die in der Implementierung jeweils als erster Hallsensor 22 und als zweiter Hallsensor 23 bezeichnet sind. Es versteht sich, dass die erste Erfassungsschaltung und die zweite Erfassungsschaltung in anderen Implementierungen photoelektrische Codierer sein können. Der erste Hallsensor 22 und der zweite Hallsensor 23 haben jeweils einen Stromversorgungsanschluss VCC, einen Erdungsanschluss GND und einen Ausgangsanschluss H1. In dieser Ausführungsform geben der erste Hallsensor 22 und der zweite Hallsensor 23 die Magnetpolpositionssignale mit entgegengesetzten Phasen aus, wenn der Magnetpol des Rotors 11 mit gleicher Polarität erfasst wird.
Der erste Hallsensor 22 und der zweite Hallsensor 23 haben die gleiche Struktur und sind jeweils eine integrierte Schaltung mit einem Gehäuse. Das Gehäuse hat eine Vorderwand und eine Rückwand und eine Halbleiterplatte, d.h. ein Hallplättchen 220 und ein Signalverstärker 222 sind in dem Gehäuse (siehe 4) aufgenommen. Insbesondere wenn der erste Hallsensor 22 und der zweite Hallsensor 23 in dem Motor 10 angeordnet sind, ist die Vorderwand des ersten Hallsensors 22 dem Rotor 11 zugewandt, und die Rückwand des zweiten Hallsensors 23 ist dem Rotor 11 zugewandt. In einer Rastposition des Motors ist der erste Hallsensor 22 bezüglich einer Polachse R des Rotors 11 in Gegenuhrzeigerrichtung versetzt, so dass ein Voreilwinkel gebildet wird; und der zweite Hallsensor 23 ist bezüglich der Polachse R des Rotors 11 in Uhrzeigerrichtung versetzt, so dass ein Voreilwinkel gebildet wird. In der Implementierung sind die beiden Voreilwinkel gleich und sind als α bezeichnet. Eine virtuelle Verbindungslinie, die die Mitten der beiden entgegengesetzten Magnetpole (d.h. der zwei Magneten in der vorliegenden Ausführungsform) des Rotors 11 durchquert, die in einer radialen Richtung liegen, wird als Polachse R des Rotors bezeichnet. In der Ausführungsform, die in 2 gezeigt ist, sind der erste Hallsensor 22 und der zweite Hallsensor 23 nahe zu demselben Magnetpol des Rotors 11 angeordnet, zum Beispiel zu dem Nordpol. In einer weiteren Ausführungsform, die in 3 gezeigt ist, sind der erste Hallsensor 22 und der zweite Hallsensor 23 nahe zu verschiedenen Magnetpolen des Rotors 11 angeordnet. Zum Beispiel ist der erste Hallsensor 22 nahe zu dem Nordpol des Rotors und der zweite Hallsensor 23 nahe zu dem Südpol des Rotors 11 angeordnet. Der Fachmann wird erkennen, dass der Rotor 11 mehrere Magnetpolpaare aufweisen kann und dass ein elektrischer Winkel des Voreilwinkels kleiner ist als 90 Grad/N, wobei N die Anzahl von Magnetpolpaaren des Rotors ist. In der Implementierung ist ein Bereich des Voreilwinkels α größer als 0 Grad und kleiner als 90 Grad. Vorzugsweise ist der Voreilwinkel α größer oder gleich 0 Grad und kleiner oder gleich 45 Grad. Weiter vorzugsweise kann der Voreilwinkel 15 Grad, 20 Grad, 25 Grad, 30 Grad, 35 Grad oder 40 Grad betragen. Bei Anordnung des ersten Hallsensors 22 und des zweiten Hallsensors 23 in dem Motor bei einer vorgegebenen Rastposition des Rotors sind der erste Hallsensor 22 und der zweite Hallsensor 23 von einem Nulldurchgangsbereich eines Magnetfeldes des Rotors, d.h. einem Bereich, in dem das Magnetfeld des Rotors am schwächsten ist, entfernt angeordnet, damit der Rotor problemlos anlaufen kann.
Die Drehrichtungssteuerschaltung 50 ist mit dem ersten Hallsensor 22 und dem zweiten Hallsensor 23 verbunden und ist konfiguriert für die wahlweise Ausgabe des Magnetpolpositionssignals von dem ersten Hallsensor 22 oder des Magnetpolpositionssignals von dem zweiten Hallsensor 23 basierend auf einem Drehrichtungseinstellsignal des Motors, um die Steuerschaltung 30 zu schalten. Die Schaltersteuerschaltung 30 steuert den steuerbaren bidirektionalen Wechselstromschalter 26 zum Schalten zwischen einem An-Zustand und einem Aus-Zustand in einer vorgegebenen Weise basierend auf dem empfangenen Magnetpolpositionssignal und der Polaritätsinformation der Wechselstromversorgung, um die Vorwärtsdrehung oder Rückwärtsdrehung des Motors zu steuern.
Der Gleichrichter hat vier Dioden D2 bis D5. Eine Kathode der Diode D2 ist mit einer Anode der Diode D3 verbunden. Eine Kathode der Diode D3 ist mit einer Kathode der Diode D4 verbunden. Eine Anode der Diode D4 ist mit einer Kathode der Diode D5 verbunden, und eine Anode der Diode D5 ist mit einer Anode der Diode D2 verbunden. Die Kathode der Diode D2 dient als erster Eingangsanschluss 11 des Gleichrichters und ist über den Widerstand R0 mit dem ersten Knoten A verbunden. Der Widerstand R0 kann als Spannungsreduzierer wirken. Die Anode der Diode D4 dient als zweiter Eingangsanschluss 12 des Gleichrichters und ist mit dem zweiten Knoten B verbunden. Die Kathode der Diode D3 dient als erster Ausgangsanschluss O1 des Gleichrichters und ist mit den Stromversorgungsanschlüssen VCC des ersten Hallsensors 22 und des zweiten Hallsensors 23 verbunden. Der erste Ausgangsanschluss O1 gibt eine hohe Gleichstrom-Betriebsspannung aus. Die Anode der Diode D5 dient als zweiter Ausgangsanschluss O2 des Gleichrichters und ist mit den Erdungsanschlüssen GND des ersten Hallsensors 22 und des zweiten Hallsensors 23 verbunden. Der zweite Ausgangsanschluss O2 gibt eine niedrige Spannung aus, die niedriger als die Spannung des ersten Ausgangsanschlusses O1 ist. Eine Zenerdiode Z1 ist zwischen den ersten Ausgangsanschluss O1 und den zweiten Ausgangsanschluss O2 des Gleichrichters geschaltet. Eine Anode der Zenerdiode Z1 ist mit dem zweiten Ausgangsanschluss O2 verbunden, und eine Kathode der Zenerdiode Z1 ist mit dem ersten Ausgangsanschluss O1 verbunden.
In dieser Ausführungsform sind die Ausgangsanschlüsse H1 des ersten Hallsensors 22 und des zweiten Hallsensors 23 mit der Drehrichtungssteuerschaltung 50 verbunden. Wenn der erste Hallsensor 22 normal gespeist wird, d.h. wenn der Stromversorgungsanschluss VCC eine hohe Spannung und der Erdungsanschluss GND eine niedrige Spannung erhält, gibt der erste Hallsensor 22 das Magnetpolpositionssignal mit einem hohen Logikpegel aus, wenn das erfasste Magnetfeld Nord ist, und der Ausgangsanschluss H1 des ersten Hallsensors 22 gibt ein Magnetpolpositionssignal mit einem niedrigen Logikpegel aus, wenn das erfasste Magnetfeld Süd ist. Wenn der zweite Hallsensor 23 normal gespeist wird, d.h. wenn der Stromversorgungsanschluss VCC eine hohe Spannung und der Erdungsanschluss GND eine niedrige Spannung empfängt, gibt der Ausgangsanschluss H1 des zweiten Hallsensors 23 das Magnetpolpositionssignal mit einem niedrigen Logikpegel aus, wenn das erfasste Rotormagnetfeld Nord ist, und der Ausgangsanschluss H1 des zweiten Hallsensors 23 gibt das Magnetpolpositionssignal mit einem hohen Logikpegel aus, wenn das erfasste Magnetfeld Süd ist.
Nachstehend wird ein Prinzip des ersten Hallsensors 22 und des zweiten Hallsensors 23 beschrieben, die das Magnetpolpositionssignal mit entgegengesetzten Phasen ausgeben, wenn der Magnetpol mit gleicher Polarität erfasst wird. Dabei wird auf 4 Bezug genommen. Das Hallplättchen 220 hat eine Vorderwand X und eine Rückwand Y. Wenn das Hallplättchen 220 in das Gehäuse des Hallsensors gepackt wird, entspricht die Vorderwand X der Vorderwand des Gehäuses des Hallsensors, und die Rückwand Y entspricht der Rückwand des Gehäuses des Hallsensors. Das Hallplättchen 220 hat ferner zwei Erregungsstromanschlüsse M und N (jeweils korrespondierend zu dem Stromversorgungsanschluss VCC und dem Erdungsanschluss GND in 1), und zwei Ausgangsanschlüsse C und D der Hall-elektromotorischen Kraft. Zwei Eingangsanschlüsse des Signalverstärkers 222 sind jeweils mit den beiden Ausgangsanschlüssen C und D der Hall-elektromotorischen Kraft verbunden. Nachstehend wird als Beispiel ein Fall beschrieben, in dem sowohl der erste als auch der zweite Hallsensor 22 und 23 die Position Nord des Rotors erfassen. Da die Vorderwand des ersten Hallsensors 22 dem Rotor 11 zugewandt ist, ist das Hallplättchen 220 des ersten Hallsensors 22 ein Magnetfeld mit einer magnetischen Induktionsintensität von B, wenn der Magnetpol des Rotors 11 als Nordpol erfasst wird. Eine Richtung des Magnetfeldes weist nach oben und ist senkrecht zu dem Hallplättchen 220, wie in 4 gezeigt, wobei die Richtung des Magnetfeldes von der Vorderwand X zur Rückwand Y des Hallplättchens 220 zeigt. Wenn ein von dem Erregungsstromanschluss M zu dem Erregungsstromanschluss N fließender Strom durch das Hallplättchen 220 fließt, werden Elektronen unter dem Einfluss der Lorentzkraft abgelenkt. Es sammeln sich Elektronen an dem Ausgangsanschluss C der Hall-elektromotorischen Kraft, und es fehlen Elektronen an dem Ausgangsanschluss D der Hall-elektromotorischen Kraft. Deshalb ist der Ausgangsanschluss C der Hall-elektromotorischen Kraft negativ geladen, während der Ausgangsanschluss D der Hall-elektromotorischen Kraft positiv geladen ist, und es wird eine Hall-elektromotorische Kraft in einer Richtung senkrecht zu dem Strom und dem Magnetfeld erzeugt, d.h. zwischen den Ausgangsanschlüssen C und D der Hall-elektromotorischen Kraft. Der Signalverstärker 222 verstärkt die Hall-elektromotorische Kraft und erzeugt das Magnetpolpositionssignal in Form eines digitalen Signals. In diesem Fall ist der Pegel des Magnetpolpositionssignals ein hoher logischer Pegel „1“, der von dem Ausgangsanschluss H1 des ersten Hallsensors ausgegeben wird.
Da die Rückwand des zweiten Hallsensors 23 dem Rotor 11 zugewandt ist, ist das Hallplättchen 220 des zweiten Hallsensors 23 ein Magnetfeld mit einer magnetischen Induktionsintensität von B, wenn der Magnetpol des Rotors als Nordpol erfasst wird. Eine Richtung des Magnetfeldes weist nach unten und ist senkrecht zu dem Hallplättchen 220. Da der zweite Hallsensor 23 zu dem ersten Hallensensor 22 umgekehrt ist, zeigt die Richtung des Magnetfeldes von dem zweiten Hallsensor 23 aus betrachtet von der Rückwand Y zur Vorderwand X des Hallplättchens 220, und eine Richtung, in der das Magnetfeld das Hallplättchen 220 durchquert, ist entgegengesetzt zu der Richtung in 4. Wenn ein von dem Erregungsstromanschluss M zu dem Erregungsstromanschluss N fließender Strom durch das Hallplättchen 220 fließt, sammeln sich Elektronen an dem Ausgangsanschluss D der Hall-elektromotorischen Kraft, und es fehlen Elektronen an dem Ausgangsanschluss C der Hall-elektromotorischen Kraft. Aus diesem Grund ist der Ausgangsanschluss D der Hall-elektromotorischen Kraft negativ geladen, während der Ausgangsanschluss C der Hall-elektromotorischen Kraft positiv geladen ist, und es wird eine Hall-elektromotorische Kraft in einer Richtung senkrecht zu dem Strom und zu dem Magnetfeld erzeugt, d.h. zwischen den Anschlüssen C und D der Hall-elektromotorischen Kraft. Der Signalverstärker 222 verstärkt die Hall-elektromotorische Kraft und erzeugt das Magnetpolpositionssignal in Form eines digitalen Signals. In diesem Fall ist der Pegel des Magnetpolpositionssignals ein niedriger Logikpegel „0“, der von dem Ausgangsanschluss H1 des zweiten Hallsensors ausgegeben wird.
Wenn der erste Hallsensor 22 und der zweite Hallsensor 23 den Südpol des Rotors erfassen, gibt der Ausgangsanschluss H1 des ersten Hallsensors 22 einen niedrigen Logikpegel aus, und der Ausgangsanschluss H1 des zweiten Hallsensors 23 gibt einen hohen Logikpegel aus, wobei das Prinzip ähnlich wie vorstehend ist und an dieser Stelle nicht mehr näher erläutert wird.
Zusammengefasst ist der erste Hallsensor 22 derart in dem Motor installiert, dass seine Vorderwand dem Rotor zugewandt ist, und der zweite Hallsensor 23 ist derart in dem Motor installiert, dass seine Rückwand dem Rotor zugewandt ist, um zu bewirken, dass eine Richtung, in welcher das Hallplättchen in dem zweiten Hallsensor 23 dem Rotor 11 zugewandt ist, bezüglich einer Richtung, in welcher das Hallplättchen in dem Hallsensor 22 dem Rotor 11 zugewandt ist, um 180 Grad gedreht wird. Der erste Hallsensor 22 und der zweite Hallsensor 23 geben die Magnetpolpositionssignale mit entgegengesetzten Phasen aus, wenn der Magnetpol mit gleicher Polarität erfasst wird.
Es wird erneut auf 1 Bezug genommen. Die Drehrichtungssteuerschaltung 50 umfasst eine Schalteinheit, und die Schalteinheit hat einen ersten bis dritten Anschluss 51 bis 53. Der erste Anschluss 51 ist mit der Schaltersteuerschaltung 30 verbunden. Der zweite Anschluss 52 empfängt die von dem Hallsensor 22 ausgegebenen Magnetpolpositionssignale, und der dritte Anschluss 53 empfängt die von dem zweiten Hallsensor 23 ausgegebenen Magnetpolpositionssignale. Die Drehrichtungssteuerschaltung 50 verbindet basierend auf einem Drehrichtungseinstellsignal CTRL den ersten Anschluss 51 mit dem zweiten Anschluss 52 oder dem dritten Anschluss 53.
Die Schaltersteuerschaltung 30 hat einen ersten bis dritten Anschluss, wobei der erste Anschluss mit dem ersten Ausgangsanschluss O1 des Gleichrichters, der zweite Anschluss mit dem ersten Anschluss 51 der Drehrichtungssteuerschaltung 50 und der dritte Anschluss mit einer Steuerelektrode G des steuerbaren bidirektionalen Wechselstromschalters 26 verbunden ist. Die Schaltersteuerschaltung 30 umfasst einen Widerstand R2, einen NPN-Transistor Q1 und eine Diode D1 und einen Widerstand R1, die zwischen dem ersten Anschluss 51 der Drehrichtungssteuerschaltung 50 und dem steuerbaren bidirektionalen Schalter 26 in Reihe geschaltet sind. Eine Kathode der Diode D1 dient als zweiter Anschluss der Schaltersteuerschaltung 30 und ist mit dem ersten Anschluss 51 der Drehrichtungssteuerschaltung 50 verbunden. Ein Anschluss des Widerstands R2 ist mit dem ersten Ausgangsanschluss O1 des Gleichrichters 28 verbunden, und der andere Anschluss des Widerstands R2 ist mit der Kathode der Diode D1 verbunden. Eine Basis des NPN-Transistors Q1 ist mit der Kathode der Diode D1, ein Emitter des NPN-Transistors Q1 mit einer Anode der Diode D1 verbunden, und ein Kollektor des NPN-Transistors dient als erste Anschluss der Schaltersteuerschaltung 30 und ist mit dem ersten Ausgangsanschluss O1 des Gleichrichters verbunden. Ein Anschluss des Widerstands R1, der nicht mit der Diode D1 verbunden ist, dient als dritter Anschluss der Schaltersteuerschaltung 30.
Der steuerbare bidirektionale Wechselstromschalter 26 ist vorzugsweise eine Triode für Wechselstrom (TRIAC), wobei eine erste Anode T1 davon mit dem zweiten Knoten B verbunden ist, eine zweite Anode T2 davon mit dem ersten Knoten A verbunden ist und eine Steuerelektrode G davon mit dem dritten Anschluss der Schaltersteuerschaltung 30 verbunden ist. Es versteht sich, dass der steuerbare bidirektionale Wechselstromschalter 26 einen elektronischen Schalter umfassen kann, der Strom in zwei Richtungen fließen lässt, und der gebildet ist durch einen oder mehrere eines Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors, eines siliziumgesteuerten Gleichrichters, eines bidirektionalen Triodenthyristors, eines Bipolartransistors mit isoliertem Gate, eines Bipolartransistors, eines Thyristors und eines Optokopplers. Beispiele sind unter anderem folgende: zwei Metalloxid-Halbleiter-Feldeffektransistoren können den steuerbaren bidirektionalen Wechselstromschalter bilden; zwei siliziumgesteuerte Gleichrichter können den steuerbaren bidirektionalen Wechselstromschalter bilden; zwei Bipolartransistoren mit isoliertem Gate können den steuerbaren bidirektionalen Wechselstromschalter bilden; und zwei Bipolartransistoren können den steuerbaren bidirektionalen Wechselstromschalter bilden.
Die Schaltersteuerschaltung 30 ist konfiguriert für das Aktivieren des steuerbaren bidirektionalen Wechselstromschalters 26 in einem Fall, in dem sich die Wechselstromversorgung in einem positiven Halbzyklus befindet und der zweite Anschluss der Schaltersteuerschaltung 30 einen ersten Pegel empfängt, oder in einem Fall, in dem sich die Wechselstromversorgung in einem negativen Halbzyklus befindet und der zweite Anschluss der Schaltersteuerschaltung 30 einen zweiten Pegel empfängt; und für das Deaktivieren des steuerbaren bidirektionalen Wechselstromschalters 26 in einem Fall, in dem sich die Wechselstromversorgung in einem negativen Halbzyklus befindet und der zweite Anschluss der Schaltersteuerschaltung 30 den ersten Pegel empfängt, oder in einem Fall, in dem sich die Wechselstromversorgung in einem positiven Halbzyklus befindet und der zweite Anschluss der Schaltersteuerschaltung 30 den zweiten Pegel empfängt.
Vorzugsweise ist der erste Pegel ein hoher Logikpegel, und der zweite Pegel ist ein niedriger Logikpegel.
Im Folgenden wird ein Funktionsprinzip der Motortreiberschaltung 19 beschrieben, die die Vorwärts- und Rückwärtsdrehung des Motors steuert.
Gemäß den Theorien der Elektromagnetik kann bei einem Einphasen-Permanentmagnetmotor eine Drehrichtung des Rotors des Motors geändert werden, indem die Leitungsart der Statorwicklung 16 geändert wird. Wenn eine durch den Hallsensor erfasste Polarität des Rotors Nord ist und wenn sich eine durch die Statorwicklung 16 fließende Wechselstromversorgung in einem positiven Halbzyklus befindet, dreht sich der Motor rückwärts, zum Beispiel in Gegenuhrzeigerrichtung (CCW). Es versteht sich, dass sich der Rotor des Motors vorwärts dreht, zum Beispiel in Uhrzeigerrichtung (CW), wenn die durch den Hallsensor erfasste Polarität des Rotors immer noch Nord ist und wenn sich die externe Wechselstromversorgung, die durch die Statorwicklung 16 fließt, in einem negativen Halbzyklus befindet. Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde nach dem Prinzip geschaffen, dass die Steuerung der Vorwärtsdrehung und der Rückwärtsdrehung des Motors erreicht wird, indem basierend auf den durch ersten Hallsensor 22 und den zweiten Hallsensor 23 erfassten Polaritäten des Rotors eine Richtung des Stromflusses durch die Statorwicklung 16 eingestellt wird. In dieser Ausführungsform geben der erste Hallsensor 22 und der zweite Hallsensor 23 Magnetpolpositionssignale mit entgegengesetzten Phasen aus, wenn ein gleicher Magnetpol des Rotors erfasst wird, und die Schaltersteuerschaltung 30 steuert basierend auf dem Magnetpolpositionssignal die Polarität des durch die Statorwicklung 16 fließenden Stroms, um die Drehrichtung des Motors zu steuern.
Tabelle 1 ist eine Tabelle, in der die Funktion zum Steuern der Drehung des Motors in der Uhrzeigerrichtung und in der Gegenuhrzeigerrichtung basierend auf dem Drehrichtungseinstellsignal CTRL dargestellt ist. Tabelle 1

Drehrichtungseinstellsignal Gewählte Erfassungsschaltung Drehrichtung des Motors

0 Erster Hallsensor Gegenuhrzeigerrichtung

1 Zweiter Hallsensor Uhrzeigerrichtung
Die Vorwärtsdrehung dient als Beispiel für die nachstehende Erläuterung. Es wird angenommen, dass der Pegel des Drehrichtungseinstellsignals CTRL ein hoher Logikpegel „1“ ist, dass der erste Anschluss 51 der Drehrichtungssteuerschaltung 50 mit dem dritten Ausgangsanschluss 53 verbunden ist und dass die Steuerschaltung 30 das von dem zweiten Hallsensor 23 ausgegebene Magnetpolpositionssignal empfängt. Wenn der Motor gestartet wird und wenn der zweite Hallsensor 23 erfasst, dass die Position des Magnetpols des Rotors Nord ist, gibt der zweite Hallsensor 23 das Magnetpolpositionssignal mit dem niedrigen Logikpegel „0“ aus, die Kathode der Diode D1 in der Schaltersteuerschaltung 30 empfängt den niedrigen Pegel, und der NPN-Transistor Q1 wird abgeschaltet. Wenn sich die Wechselstromversorgung beim Starten des Motors in einem negativen Halbzyklus befindet, fließt die Wechselstromversorgung in dem negativen Halbzyklus durch die Steuerelektrode G des steuerbaren bidirektionalen Wechselstromschalters 26, durch den Widerstand R1 und die Diode D1 zur Erde, der steuerbare bidirektionale Wechselstromschalter 26 wird aktiviert, und es beginnt die Drehung des Rotors 11 in der Uhrzeigerrichtung. Wenn sich die Wechselstromversorgung beim Starten des Motors in einem positiven Halbzyklus befindet, kann die Wechselstromversorgung in dem positiven Halbzyklus den NPN-Transistor Q1 nicht passieren, es fließt kein Strom durch die Steuerelektrode G des steuerbaren bidirektionalen Wechselstromschalters 26, der steuerbare bidirektionale Wechselstromschalter 26 wird nicht aktiviert, und der Rotor 11 dreht sich nicht.
Wenn der zweite Hallsensor 23 erfasst, dass die Position des Magnetpols des Rotors der Südpol ist, gibt der Hallsensor 23 das Magnetpolpositionssignal mit dem hohen Logikpegel „1“ an die Schaltersteuerschaltung 30 aus, die Kathode der Diode D1 in der Schaltersteuerschaltung 30 empfängt den hohen Pegel, und der NPN-Transistor Q1 wird angeschaltet. Deshalb ist der Pegel der Anode der Diode D1 der hohe Pegel. Wenn sich die Wechselstromversorgung beim Starten des Motors in einem negativen Halbzyklus befindet, kann die Wechselstromversorgung in dem negativen Halbzyklus die Steuerelektrode G des steuerbaren bidirektionalen Wechselstromschalters 26 und den Widerstand R1 nicht passieren, weshalb der steuerbare bidirektional Wechselstromschalter 26 nicht aktiviert wird und der Rotor 11 sich nicht dreht. Wenn sich die Wechselstromversorgung beim Starten des Motors in einem positiven Halbzyklus befindet, fließt die Wechselstromversorgung in dem positiven Halbzyklus durch den NPN-Transistor Q1 und den Widerstand R1 zur Steuerelektrode G des steuerbaren bidirektionalen Wechselstromschalters 26, der steuerbare bidirektionale Wechselstromschalter 2 wird aktiviert, der positive Halbzyklus der Wechselstromversorgung fließ durch die Statorwicklung, und der Rotor 11 dreht sich in Uhrzeigerrichtung.
Wenn der Motor für eine Rückwärtsdrehung anzusteuern ist, d.h. für eine Drehung in Gegenuhrzeigerrichtung, wird der Pegel des Drehrichtungseinstellsignals CTRL in den niedrigen Logikpegel „0“ geändert, der erste Anschluss 51 der Drehrichtungssteuerschaltung 50 wird mit dem zweiten Anschluss 52 verbunden, und die Schaltersteuerschaltung 30 empfängt das von dem ersten Hallsensor 22 ausgegebene Magnetpolpositionssignal. Wenn der erste Hallsensor 22 erfasst, dass die Position des Magnetpols des Rotors der Nordpol ist, gibt der Ausgangsanschluss H1 des ersten Hallsensors 22 das Magnetpolpositionssignal mit dem hohen Logikpegel „1“ aus, und der NPN-Transistor Q1 wird angeschaltet. Deshalb ist der Pegel der Anode der Diode D1 ein hoher Pegel. Wenn sich die Wechselstromversorgung beim Starten des Motors in einem negativen Halbzyklus befindet, kann die Wechselstromversorgung in dem negativen Halbzyklus die Steuerelektrode G des steuerbaren bidirektionalen Schalters AC 26 und den Widerstand R1 nicht passieren, weshalb der steuerbare bidirektionale Wechselstromschalter 26 nicht aktiviert wird und der Rotor 11 sich nicht dreht. Wenn sich die Wechselstromversorgung beim Starten des Motors in einem positiven Halbzyklus befindet, fließt die Wechselstromversorgung in dem positiven Halbzyklus durch den NPN-Transistor Q1 und den Widerstand R1 zur Steuerelektrode G des steuerbaren bidirektionalen Wechselstromschalters 26, der steuerbare bidirektionale Wechselstromschalter 27 wird aktiviert, und die Drehung des Rotors 11 in der Gegenuhrzeigerrichtung beginnt.
Wenn der erste Hallsensor 22 erfasst, dass die Position des Magnetpols des Rotors der Südpol ist, gibt der Ausgangsanschluss H1 des ersten Hallsensors 22 das Magnetpolpositionssignal mit dem niedrigen Logikpegel „0“ aus, die Kathode der Diode D1 in der Schaltersteuerschaltung 30 empfängt den niedrigen Logikpegel, und der NPN-Transistor Q1 wird abgeschaltet. Wenn sich die Wechselstromversorgung beim Starten des Motors in einem negativen Halbzyklus befindet, fließt die Wechselstromversorgung in dem negativen Halbzyklus durch die Steuerelektrode G des steuerbaren bidirektionalen Wechselstromschalters 26, den Widerstand R und die Diode D1 und wird geerdet. Der steuerbare bidirektionale Wechselstromschalter 26 wird aktiviert, der negative Halbzyklus der Wechselstromversorgung fließt durch die Statorwicklung 16, und es beginnt die Drehung des Rotors 11 in der Gegenuhrzeigerrichtung. Wenn sich die Wechselstromversorgung beim Starten des Motors in einem positiven Halbzyklus befindet, kann die Wechselstromversorgung in dem positiven Halbzyklus den NPN-Transistor Q1 nicht passieren. Es fließt kein Strom durch die Steuerelektrode G des steuerbaren bidirektionalen Wechselstromschalters 26, der steuerbare bidirektionale Schalter 26 wird nicht aktiviert, und der Rotor 11 dreht sich nicht.
Die vorstehend beschriebene Situation, dass der Rotor sich nicht dreht, tritt ein, wenn der Motor angeschaltet wird. Nachdem der Motor erfolgreich gestartet wurde, dreht sich der Rotor 11 durch Trägheit weiter, auch wenn der steuerbare bidirektionale Wechselstromschalter 26 nicht aktiviert wird. Hinzu kommt, dass bei einer Änderung der Drehrichtung des Rotors 11 die Drehung des Rotors 11 des Motors zunächst gestoppt werden muss, um dafür zu sorgen, dass der Rotor 11 in einer vorgegebenen Rastposition anhält. Das Stoppen der Drehung des Rotors 11 des Motors ist einfach. Zum Beispiel ist zwischen der Wechselstromversorgung 24 und der Statorwicklung 16 des Motors ein Schalter (nicht gezeigt) angeordnet, durch dessen Betätigung über eine vorgegebene Zeitdauer die Drehung des Rotors 11 gestoppt wird. Zum Stoppen der Drehung des Rotors 11 des Motors stehen gegebenenfalls andere Implementierungen zur Verfügung. In 5 zum Beispiel, auf die nunmehr Bezug genommen wird, umfasst die Schaltereinheit der Drehrichtungssteuerschaltung 50 ferner einen vierten Anschluss 54. Der vierte Anschluss ist Null, und ein Zustand der Drehrichtungssteuerschaltung 50 wird durch zwei Drehrichtungseinstellsignale CTRL1 und CTRL2 gesteuert.
Anhand der folgenden Ausführungsform wird die Drehrichtungsänderung des Motors beschrieben. Ein Benutzer kann die Drehrichtungsänderungssignale CTRL1 =0 und CTRL2=0 über eine externe Steuerung an die Drehrichtungssteuerschaltung 50 ausgeben. Die Drehrichtungssteuerschaltung 50 verbindet den ersten Anschluss 51 mit dem zweiten Anschluss 52. Der erste Hallsensor 22 wird für die Verbindung mit der Schaltersteuerschaltung 30 gewählt, und der Motor dreht sich in entgegen dem Uhrzeigersinn. Wenn der Motor während seiner Drehung für eine Drehrichtungsänderung anzusteuern ist, können die Drehrichtungssteuersignale CTRL1=1 und CTRL2=1 über die externe Steuerung ausgegeben werden, und es wird der erste Anschluss 51 der Drehrichtungssteuerschaltung 50 mit dem vierten Anschluss 54 verbunden. Da der vierte Anschluss 54 Null ist, fließt kein Strom durch die Steuerelektrode G des steuerbaren bidirektionalen Wechselstromschalters 26, und nachdem der Motor sich aufgrund von Trägheit eine Weile weitergedreht hat, hält der Motor an. Nach einer Zeit gibt die externe Steuerung die Drehrichtungsänderungssignale CTRL1=1 und CTRL2=0 an die Drehrichtungssteuerschaltung 50 aus. Der erste Anschluss 51 der Drehrichtungssteuerschaltung 50 wird mit dem dritten Anschluss 53 verbunden. Es wird der zweite Hallsensor 23 für die Verbindung mit der Schaltersteuerschaltung 30 gewählt, und der Motor dreht sich in Uhrzeigerrichtung.

Die nachstehende Tabelle 2 zeigt Situationen einer Steuerung der Drehung des Motors in Uhrzeigerrichtung und in Gegenuhrzeigerrichtung basierend auf dem Drehrichtungseinstellsignal des Motors, die Position des Magnetpols des Rotors und die Polarität der Wechselstromversorgung. Tabelle 2

	Magnetpolposition des Rotors	Ausgangsanschluss H1 Hallsensor	Polarität Wechselstromversorgung	Drehrichtung Motor
	N	1	Positiver Halbzyklus	Gegenuhr-
Erster Hallsensor				zeigerrichtung
	S	0	Negativer Halbzyklus	Gegenuhrzeigerrichtung
	N	1	Negativer Halbzyklus	Weiterdrehung unter Trägheit
	S	0	Positiver Halbzyklus	Weiterdrehung unter Trägheit
Zweiter Hallsensor	N	0	Negativer Halbzyklus	In Uhrzeigerrichtung
	S	1	Positiver Halbzyklus	In Uhrzeigerrichtung
	N	0	Positiver Halbzyklus	Weiterdrehung unter Trägheit
	S	1	Negativer Halbzyklus	Weiterdrehung unter Trägheit

Es versteht sich, dass die Schaltersteuerschaltung 30, der Gleichrichter und die Erfassungsschaltung in einen integrierten Schaltkreis integriert oder gepackt sein können, zum Beispiel in eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), um die Kosten der Schaltung zu reduzieren und deren Zuverlässigkeit zu erhöhen.
6 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines Motors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Unterschied zwischen der zweiten Ausführungsform und der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform liegt darin, dass zum Steuern des Motors für dessen Drehung in Uhrzeigerrichtung und in Gegenuhrzeigerrichtung zwei integrierte Motortreiberschaltungen (ICs) verwendet werden, wobei die Schaltersteuerschaltung 30, der Gleichrichter und die Erfassungsschaltung in den jeweiligen IC integriert sind. Die integrierten Motortreiberschaltungen werden jeweils als erste integrierte Motortreiberschaltung 100 und als zweite integrierte Motortreiberschaltung 200 bezeichnet. Die erste integrierte Motortreiberschaltung 100 und die zweite integrierte Motortreiberschaltung 200 umfassen jeweils ein Gehäuse, das eine Vorderwand und eine Rückwand hat, wobei die Vorderwand der ersten integrierten Motortreiberschaltung 100 dem Rotor 11 zugewandt ist und wobei die Rückwand der zweiten integrierten Motortreiberschaltung 200 dem Rotor 11 zugewandt ist. In der Rastposition des Motors ist die erste integrierte Motortreiberschaltung 100 relativ zur Polachse R des Rotors mit einem Versatz in Gegenuhrzeigerrichtung angeordnet, um einen Voreilwinkel zu bilden, und die zweite integrierte Motortreiberschaltung 200 ist relativ zur Polachse R des Rotors 11 mit einem Versatz in Uhrzeigerrichtung angeordnet, um einen Voreilwinkel zu bilden. In der Ausführungsform sind die beiden Voreilwinkel gleich und sind jeweils als α bezeichnet. In der ersten integrierten Motortreiberschaltung 100 und in der zweiten integrierten Motortreiberschaltung 200 ist der Ausgangsanschluss H1 des Hallsensors im Unterschied zur ersten Ausführungsform, die in 1 gezeigt ist, direkt mit dem zweiten Anschluss der Schaltersteuerschaltung 30 verbunden. Der Aufbau und das Funktionsprinzip der Schaltersteuerschaltungen, der Gleichrichter und der Erfassungsschaltungen sind bei der ersten integrierten Motortreiberschaltung 100 und bei der zweiten integrierten Motortreiberschaltung 200 gleich und bedürfen daher keiner gesonderten Beschreibung an dieser Stelle. Die Drehrichtungssteuerschaltung 50 ist nicht in die integrierten Motortreiberschaltungen integriert und ist konfiguriert für die selektive Ausgabe eines von der ersten integrierten Motorsteuerschaltung 100 und der zweiten integrierten Motorsteuerschaltung 200 ausgegebenen Steuersignals an den steuerbaren bidirektionalen Wechselstromschalter 26 basierend auf dem Drehrichtungseinstellsignal des Motors, um einen Anschaltzustand des steuerbaren bidirektionalen Wechselstromschalters 26 zu steuern und zu veranlassen, dass sich der Motor in einer vorgegebenen Richtung oder in einer zu der vorgegebenen Richtung entgegengesetzten Richtung dreht. In der Implementierung ist die vorgegebene Richtung die Gegenuhrzeigerrichtung, und die zu dieser entgegengesetzte Richtung ist die Uhrzeigerrichtung.
In der Implementierung, die in 6 gezeigt ist, ist der erste Anschluss 51 der Drehrichtungssteuerschaltung 50 mit der Steuerelektrode G des steuerbaren bidirektionalen Wechselstromschalters 26 verbunden. Der zweite Anschluss 52 ist mit dem zweiten Anschluss der Schaltersteuerschaltung 30 in der ersten integrierten Motortreiberschaltung 100 verbunden, und der dritte Anschluss 53 der Drehrichtungssteuerschaltung 50 ist mit dem zweiten Anschluss der Schaltersteuerschaltung 30 in der zweiten integrierten Motortreiberschaltung 200 verbunden. Die ersten Eingangsanschlüsse I1 der Gleichrichter der ersten integrierten Motortreiberschaltung 100 und der zweiten integrierten Motortreiberschaltung 200 sind über den Widerstand R0 mit dem ersten Knoten A verbunden, und die zweiten Eingangsanschlüsse I2 der Gleichrichter der ersten integrierten Motortreiberschaltung 100 und der zweiten integrierten Motortreiberschaltung 200 sind mit dem zweiten Knoten B verbunden. Die erste Anode T1 des steuerbaren bidirektionalen Wechselstromschalters 26 ist mit dem zweiten Knoten B verbunden. Die zweite Anode T2 ist mit dem ersten Knoten A verbunden, und die Wechselstromversorgung 24 und die Statorwicklung 16 zwischen dem ersten Knoten A und dem zweiten Knoten B in Reihe geschaltet. In einem Fall, in dem der Pegel des Drehrichtungssteuersignals CTRL, das von der Drehrichtungssteuerschaltung 50 empfangen wird, ein niedriger Logikpegel ist, wird der erste Anschluss 51 mit dem zweiten Anschluss 52 verbunden, und der Motor dreht sich in der Gegenuhrzeigerrichtung. In einem Fall, in dem der Pegel des Drehrichtungssteuersignals CTRL, das von der Drehrichtungssteuerschaltung 50 empfangen wird, ein hoher Logikpegel ist, wird der erste Anschluss 51 der Drehrichtungssteuerschaltung 50 mit dem dritten Anschluss 53 verbunden, und der Motor dreht sich in der Uhrzeigerrichtung.
7 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines Motors gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der in 6 gezeigten Ausführungsform dadurch, dass die Statorwicklung 16 und der steuerbare bidirektionale Wechselstromschalter 26 zwischen dem ersten Knoten A und dem zweiten Knoten B in Reihe geschaltet sind und dass die Wechselstromversorgung 24 zwischen den ersten Knoten A und den zweiten Knoten B geschaltet ist.
8 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer Motortreiberschaltung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der in 6 gezeigten Ausführungsform durch eine geänderte Position der Drehrichtungssteuerschaltung 50. In der Ausführungsform ist der erste Anschluss 51 der Drehrichtungssteuerschaltung 50 über den Widerstand R0 mit dem ersten Knoten A verbunden. Der zweite Anschluss 52 ist mit dem ersten Eingangsanschluss 11 des Gleichrichters der ersten integrierten Motortreiberschaltung 100 verbunden, und der dritte Anschluss 53 ist mit dem ersten Eingangsanschluss I1 des Gleichrichters der zweiten integrierten Motortreiberschaltung 200 verbunden. Basierend auf dem Drehrichtungseinstellsignal CTRL steuert die Drehrichtungssteuerschaltung 50 wahlweise die Wechselstromversorgung 24 zur Versorgung der ersten integrierten Motortreiberschaltung 100 oder der zweiten integrierten Motortreiberschaltung 200, um ein von der ersten integrierten Motortreiberschaltung 100 oder der zweiten integrierten Motortreiberschaltung 200 ausgegebenes Steuersignal an den steuerbaren bidirektionalen Wechselstromschalter 26 auszugeben, um den Anschaltzustand des steuerbaren bidirektionalen Wechselstromschalters 26 und dadurch den Motor für eine Vorwärtsdrehung oder eine Rückwärtsdrehung zu steuern.
9 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer Motortreiberschaltung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Unterschied zwischen dieser Ausführungsform und der in 8 gezeigten Ausführungsform liegt darin, dass in dieser Ausführungsform die Statorwicklung 16 und der steuerbare bidirektionale Wechselstromschalter 26 zwischen dem ersten Knoten A und dem zweiten Knoten B in Reihe geschaltet sind und dass die externe Wechselstromversorgung 24 zwischen dem ersten Knoten A und dem zweiten Knoten B in Reihe geschaltet ist.
In den vorstehenden Implementierungen kann die Schalteinheit der Drehrichtungssteuerschaltung 50 ein mechanischer oder ein elektronischer Schalter sind, wobei der mechanische Schalter ein Relais, einen einpoligen Schalter mit zweifachem Hub und einen einpoligen Schalter mit einfachem Hub umfasst und der elektronische Schalter ein Festkörperrelais, einen Metalloxid-Halbleiter-Feldeffektransistor, einen siliziumgesteuerten Gleichrichter, einen bidirektionalen Triodenthyristor, einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate, einen Bipolartransistor, einen Thyristor und einen Optokoppler umfasst.
Der Fachmann wird erkennen, dass in den Ausführungsformen, die in den 6 bis 9 gezeigt sind, die Schalteinheit der Drehrichtungssteuerschaltung 50 durch die in 5 gezeigte Schalteinheit ersetzt werden kann. Wenn die Drehrichtung des Motors geändert wird, wird der Motor über die Drehrichtungssteuereinheit 50 zunächst zum Stoppen angesteuert, wobei es sich versteht, dass die Steuerung des Motors zum Stoppen der Drehung des Motors auch auf andere Weise erfolgen kann. Zum Beispiel ist zwischen der Wechselstromversorgung 24 und der Statorwicklung 16 ein Steuerschalter (nicht gezeigt) vorgesehen, so dass der Rotor des Motors gesteuert werden kann, indem der Steuerschalter für eine vorgegebene Zeit deaktiviert wird, um die Drehung zu stoppen und um in einer vorgegebenen Rastposition anzuhalten.
Die Motortreiberschaltung in der Ausführungsform gemäß vorliegender Erfindung erfasst die Positionen der Magnetpole des Rotors 11 über die beiden Erfassungsschaltungen oder die beiden integrierten Motortreiberschaltungen. Die beiden Erfassungsschaltungen oder die beiden integrierten Motortreiberschaltungen geben die Magnetpolpositionssignale aus, die entgegengesetzte Phasen aufweisen, wenn ein gleicher Magnetpol des Rotors detektiert wird. Basierend auf dem Drehrichtungseinstellsignal des Motors wählt die Drehrichtungssteuerschaltung 50 das von der entsprechenden Erfassungsschaltung oder entsprechenden integrierten Motortreiberschaltung ausgegebene Magnetpolpositionssignal oder Steuersignal, um den Zustand des steuerbaren bidirektionalen Wechselstromschalters und dann die Richtung des durch die Statorwicklung des Motors fließenden Stroms zu steuern, um wiederum die Vorwärtsdrehung oder die Rückwärtsdrehung des Motors zu steuern. Die Drehrichtung des Motors kann geändert werden, indem lediglich die Verbindungsanschlüsse der Drehrichtungssteuerschaltung 50 vertauscht werden. Die Struktur der Motortreiberschaltung ist einfach und in einem hohen Maß universell.
In den vorstehenden Ausführungsformen ist in der Rastposition des Motors der erste Hallsensor 22 oder die erste integrierte Motortreiberschaltung 100 bezüglich der Polachse R des Rotors 11 mit einem Versatz in der Gegenuhrzeigerrichtung angeordnet, um einen Voreilwinkel zu bilden; und der zweite Hallsensor 23 oder die zweite integrierte Motortreiberschaltung 200 ist bezüglich der Polachse R des Rotors 11 mit einem Versatz in der Uhrzeigerrichtung angeordnet, um den Voreilwinkel zu bilden. Die Voreilwinkel sollen dafür sorgen, dass der Motor beim Starten über ein großes Anlaufdrehmoment verfügt.
Nachstehend wird die Rückwärtsdrehung des Motors als Beispiel für die Darstellung des Prinzips der Bereitstellung eines großen Anlaufdrehmoments gewählt. Wenn der Motor startet, verbindet die Drehrichtungssteuereinheit 50 den ersten Hallsensor 22 oder die erste integrierte Motortreiberschaltung 100 mit dem Motor, und der Motor wird eingeschaltet. Wenn der erste Hallsensor 22 oder die erste integrierte Motortreiberschaltung 100 erfassen, dass das Magnetfeld des Motors Nord ist und wenn sich die Wechselstromversorgung 24 in einem positiven Halbzyklus befindet, sendet die Schaltersteuerschaltung 30 ein Signal zum Aktivieren des steuerbaren bidirektionalen Wechselstromschalters 26, weshalb ein Wicklungsstrom in der Statorwicklung 16 des Motors allmählich zunimmt. Da der erste Hallsensor 22 oder die erste integrierte Motortreiberschaltung 100 bezüglich der Polachse R des Rotors 11 mit einem Versatz in der Gegenuhrzeigerrichtung angeordnet ist, um den Voreilwinkel zu bilden, wird die Zeitspanne, in welcher der erste Hallsensor 22 oder die erste integrierte Motortreiberschaltung 100 beim Starten des Motors erfasst, dass die Position des Rotors im vorliegenden Fall Nord ist, im Vergleich zur üblichen Technologie, wonach ein Positionssensor an der Polachse R des Rotors angeordnet ist (wie in 10A gezeigt), verlängert. Dies ergibt sich aus einem Vergleich der 10A und 10B. In 10A und 10B ist die gegenelektromotorische Kraft durch die Kurven S1 angegeben. Die Kurven S2 zeigen die Wicklungsströme. Die Kurven S3 zeigen die von den Positionssensoren ausgegebenen Magnetpolpositionssignale, und die Schraffuren in den Figuren geben die Eingangsleistungen P_input des Motors an. Die Eingangsleistung P_input = V_Bemf × Imotor, wobei V_Bemf die gegenelektromotorische Kraft und I_motor der Wicklungsstrom des Stators ist. Ein Bereich der Schraffur in 10B ist wesentlich größer als der Bereich in 10A. Die Eingangsleistung P_input ist ein Mittel zum Erzeugen mechanischer Arbeit durch den Motor. Nach dem Anstieg der Eingangsleistung Pinput wird ein hohes Drehmoment bereitgestellt, um die Reibung zwischen einer Welle und einer Wellenmuffe des Motors und die Trägheit einer Motorlast wie beispielsweise einer Pumpe oder eines Gebläses zu überwinden, so dass der Motor problemlos anlaufen und beschleunigen kann.
Ähnlich ist der zweite Hallsensor 23 oder die zweite integrierte Motortreiberschaltung bei einer Vorwärtsdrehung des Motors bezüglich der Polachse R des Rotors 11 mit einem Versatz in der Uhrzeigerrichtung angeordnet, um den Voreilwinkel zu bilden, und es wird auch hier ein hohes Drehmoment für den Motor bereitgestellt, wenn der Motor in der Uhrzeigerrichtung anläuft.
In den vorstehenden Ausführungsformen ist der Rotor 11 ein Permanentmagnetrotor. Jeder Pol des Permanentmagnetrotors kann aus einem Neodym-Magnetmaterial bestehen, das aus seltenen Erden gewonnen wird, oder kann aus beständigeren Materialien gebildet sein, wie zum Beispiel ein gummiumhüllter Neodym-Magnet (auch als Gummimagnet bezeichnet). Die gegenelektromotorische Kraft des Motors kann eine trapezförmige Welle sein. In anderen Ausführungsformen kann der Permanentmagnetrotor auch aus anderen Materialien bestehen, zum Beispiel aus Ferrit, Neodym-Eisen-Bor, Alnico etc. Die Wellenform der gegenelektromotorischen Kraft kann auch eine Sinuswelle oder dergleichen sein.
In den vorstehenden Ausführungsformen ist der Gleichrichter eine Vollbrücken-Gleichrichterschaltung. In anderen Implementierungen können eine Halbbrücken-Gleichrichterschaltung, eine Vollwellen-Gleichrichterschaltung, eine Halbwellen-Gleichrichterschaltung oder dergleichen verwendet werden. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Spannung durch die Zenerdiode Z1 stabilisiert. In anderen Ausführungsformen kann die Spannung durch elektronische Komponenten wie einen Spannungsstabilisator mit drei Anschlussklemmen stabilisiert werden.
Es versteht sich, dass der in den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschriebene Motor geeignet ist für Antriebsvorrichtungen wie Fahrzeugfensterheber oder Rollladenantriebe in Privathäusern und Bürogebäuden. Der Motor gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist ein Wechselstrommotor mit einem Permanentmagnetrotor, zum Beispiel ein Synchronmotor und ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC-Motor). Der Motor gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise ein Einphasen-Wechselstrommotor mit einem Permanentmagnetrotor, zum Beispiel ein Einphasen-Synchronmotor und ein Einphasen-BLDC-Motor. Wenn der Motor ein Synchronmotor ist, kann die Wechselstromquelle mit einer Netzstromversorgung verbunden sein. Wenn der Motor ein BLDC-Motor ist, kann die Wechselstromquelle durch einen Inverter bereitgestellt werden.
Vorstehend wurden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Jedoch wird die Erfindung durch diese Ausführungsformen nicht eingeschränkt. Vielmehr sind innerhalb des Rahmens der Erfindung verschiedene Änderungen oder Modifikationen möglich.

Claims

Motortreiberschaltung (19) zum Treiben eines Rotors (11) eines Motors (10) für eine Drehung relativ zu einem Stator, umfassend: einen steuerbaren bidirektionalen Wechselstromschalter (AC-Schalter) (26), der zwischen zwei Anschlüssen der Wechselstromversorgung (24) mit einer Wicklung (16) des Motors verbunden ist; und einen ersten Positionssensor und einen zweiten Positionssensor, die jeweils konfiguriert sind für die Erfassung von Magnetpolpositionen des Rotors (11) und für die Ausgabe von Magnetpolpositionssignalen mit entgegengesetzten Phasen, wenn ein gleicher Magnetpol des Rotors (11) erfasst wird; wobei in einer Rastposition des Motors der erste Positionssensor und der zweite Positionssensor bezüglich einer Verbindungslinie (R), die die Mitten der entgegengesetzten Magnetpole des Rotors (11) durchquert, jeweils mit einem Voreilwinkel (a) angeordnet sind.
Motortreiberschaltung nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Drehrichtungssteuerschaltung (50), die zwischen den ersten Positionssensor und den zweiten Positionssensor geschaltet ist und konfiguriert ist für die wahlweise Ausgabe des Magnetpolpositionssignals von dem ersten Positionssensor oder des Magnetpolpositionssignals von dem zweiten Positionssensor an eine Schaltersteuerschaltung (30) gemäß einem Drehrichtungseinstellsignal des Motors, wobei die Schaltersteuerschaltung (30) konfiguriert ist für die Steuerung des steuerbaren bidirektionalen Wechselstromschalters zum Schalten zwischen einem An-Zustand und einem Aus-Zustand, um den Motor basierend auf dem empfangenen Magnetpolpositionssignal und einer Polarität der Wechselstromversorgung (24) für eine Drehung in einer vorgegebenen Richtung oder in einer zu der vorgegebenen Richtung entgegengesetzten Richtung zu steuern; und wobei der erste Positionssensor einen ersten Hallsensor (22) und der zweite Positionssensor einen zweiten Hallsensor (23) umfasst.
Motortreiberschaltung nach Anspruch 2, wobei die Drehrichtungssteuerschaltung (50) das Magnetpolpositionssignal von der ersten Erfassungsschaltung an die Schaltersteuerschaltung ausgibt, wenn sich der Motor in der vorgegebenen Richtung dreht; und wobei die Drehrichtungssteuerschaltung das Magnetpolpositionssignal von der zweiten Erfassungsschaltung (50) an die Schaltersteuerschaltung ausgibt, wenn sich der Motor in der zur vorgegebenen Richtung entgegengesetzten Richtung dreht.
Motortreiberschaltung nach Anspruch 2, wobei eine Richtung, in welcher ein Hallplättchen (220) in dem ersten Hallsensor (22) dem Rotor (11) zugewandt ist, bezüglich einer Richtung, in der ein Hallplättchen (220) in dem zweiten Hallsensor (23) dem Rotor (11) zugewandt ist, um 180 Grad gedreht ist.
Motortreiberschaltung nach Anspruch 4, wobei in einer Rastposition des Motors der erste Hallsensor (22) bezüglich der Verbindungslinie, die die Mitten von entgegengesetzten Magnetpolen des Rotors (11) durchquert, mit einem Versatz in der Gegenuhrzeigerrichtung angeordnet ist, um den Voreilwinkel (a) zu bilden, wenn und nur wenn die Drehrichtung des Motors die Gegenuhrzeigerrichtung ist; und wobei der zweite Hallsensor (23) bezüglich der Verbindungslinie, die die Mitten von entgegengesetzten Magnetpolen des Rotors (11) durchquert, mit einem Versatz in der Uhrzeigerrichtung angeordnet ist, um den Voreilwinkel (a) zu bilden, wenn und nur wenn sich der Motor in der Uhrzeigerrichtung dreht.
Motortreiberschaltung nach Anspruch 1, wobei ein elektrischer Winkel des Voreilwinkels (a) kleiner ist als 90 Grad/N und wobei N die Anzahl von Magnetpolpaaren des Rotors (11) ist.
Motortreiberschaltung nach Anspruch 6, wobei der Voreilwinkel (a) größer als 0 Grad und kleiner als 90 Grad ist.
Motortreiberschaltung nach Anspruch 7, wobei der Voreilwinkel (a) 15 Grad, 20 Grad, 25 Grad, 30 Grad, 35 Grad oder 40 Grad beträgt.
Motortreiberschaltung nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Steuerschalter, wobei der Steuerschalter zwischen die Wechselstromversorgung und die Wicklung des Motors geschaltet ist und der Steuerschalter bei einer Drehrichtungsänderung des Motors während der Drehung des Motors zunächst für eine vorgegebene Dauer deaktiviert wird, bis der Rotor in der vorgegebenen Rastposition anhält.
Motor (10), umfassend einen Stator, einen Rotor (11) und die Motortreiberschaltung (19) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.
Motor nach Anspruch 10, wobei der Motor (10) ein Einphasen-Permanentmagnet-Wechselstrommotor, ein Einphasen-Permanentmagnet-Synchronmotor oder ein Einphasen-Permanentmagnet-Gleichstrommotor ist.