DE102018211397A1

DE102018211397A1 - Bürstenloser Gleichstrommotor mit Rotorlagendetektion

Info

Publication number: DE102018211397A1
Application number: DE102018211397.1A
Authority: DE
Inventors: Christoph Spitthöver; Robert Plachetka; Andreas Kofler
Original assignee: Vorwerk and Co Interholding GmbH
Current assignee: Vorwerk and Co Interholding GmbH
Priority date: 2018-07-10
Filing date: 2018-07-10
Publication date: 2020-01-16

Abstract

Die Erfindung betrifft einen bürstenlosen Elektromotor mit einer Wicklung (L1, L2), einem Permanentmagneten (1), einem Stator (2) und einem Rotor (3), der rotierbar zum Stator (2) gelagert ist, wobei der Rotor (3) den Permanentmagneten (1) und der Stator (2) die Wicklung (L1, L2) umfasst oder wobei der Rotor (3) die Wicklung (L1, L2) und der Stator (2) den Permanentmagneten (1) umfasst, wobei eine Rotorlagendetektionseinheit zur Ermittlung einer Rotorlage φ des Rotors (3) relativ zum Stator (2) vorgesehen ist, wobei eine Steuerungseinrichtung derart eingerichtet ist, dass in Abhängigkeit von der ermittelten Rotorlage φ ein Stromfluss durch die Wicklung (L1, L2) für ein Erzeugen einer Drehung des Rotors (3) relativ zum Stator (2) durch Wechselwirkung mit dem Permanentmagneten (1) gesteuert werden kann. Die Rotorlagendetektionseinheit ist so eingerichtet, dass anhand eines Vorzeichenwechsels der durch Induktion in der Wicklung L1 induzierten Spannung Udie Rotorlage φ ermittelt werden kann. Eine besonders schnelle und zuverlässige sensorlose Bestimmung der Rotorlage wird so ermöglicht.

Description

Die Erfindung betrifft einen bürstenlosen Elektromotor mit einer Wicklung, einem Permanentmagneten, einem Stator und einem Rotor. Der Rotor ist rotierbar zum Stator gelagert. Der Rotor umfasst den Permanentmagneten und der Stator die Wicklung, oder umgekehrt. Eine Rotorlagendetektionseinheit zur Ermittlung einer Rotorlage φ des Rotors relativ zum Stator ist vorgesehen. Eine Steuerungseinrichtung ist derart eingerichtet, dass in Abhängigkeit von der ermittelten Rotorlage φ ein Stromfluss durch die Wicklung für ein Erzeugen einer Drehung des Rotors relativ zum Stator durch Wechselwirkung mit dem Permanentmagneten gesteuert werden kann.
Ein bürstenloser Elektromotor, insbesondere ein sogenannter BLDC-Motor (bürstenloser Gleichstrommotor), umfasst mindestens eine Spule, also einen gewickelten elektrischen Leiter. Die Spule wird daher auch Wicklung genannt. Für den Betrieb des bürstenlosen Elektromotors fließt ein elektrischer Strom durch die Wicklung derart, dass der Permanentmagnet magnetisch angezogen und der Rotor dadurch gedreht wird. Erreicht der Permanentmagnet die Wicklung, so wird der durch die Wicklung fließende elektrische Strom zunächst abgeschaltet. Hat der Permanentmagnet die Wicklung passiert, so fließt der elektrische Strom durch die Wicklung derart, dass der Permanentmagnet magnetisch abgestoßen wird.
Um das vorgenannte Fließen des elektrischen Stroms durch die Wicklung hindurch bürstenlos geeignet zu steuern, ist eine Rotorlagendetektionseinheit vorhanden, mit der die Lage des Permanentmagneten relativ zur Lage der Wicklung ermittelt wird.
Eine Steuerungseinrichtung ist vorhanden, mit der das Fließen des elektrischen Stroms durch die Wicklung in Abhängigkeit von der Lage des Permanentmagneten relativ zur Wicklung so gesteuert wird, dass der Permanentmagnet in vorbeschriebener Weise von der Wicklung abwechselnd magnetisch angezogen und abgestoßen wird, um den Rotor auf diese Weise zu drehen.
Hallsensoren und ähnliche Positionssensoren zur Ermittlung der Lage des Permanentmagneten relativ zur Lage der Wicklung, also zur Detektion der Lage des Rotors relativ zum Stator, können die Zuverlässigkeit des Elektromotors negativ beeinflussen und erhöhen die Komplexität und den Herstellungsaufwand des Elektromotors.
Aus der Druckschrift DE 198 60 448 A1 ist bekannt, durch Erfassung der innerhalb einer Wicklung induzierten Spannung die Rotorposition zu bestimmen.
Die vorgenannten, aus dem Stand der Technik bekannten Merkmale können einzeln oder in beliebiger Kombination mit einem der nachfolgend beschriebenen erfindungsgemäßen Gegenstände und Ausführungsformen kombiniert werden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen weiterentwickelten bürstenlosen Elektromotor bereitzustellen.
Zur Lösung der Aufgabe dient ein bürstenloser Elektromotor gemäß dem Hauptanspruch. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Zur Lösung der Aufgabe dient ein bürstenloser Elektromotor, der mindestens eine Wicklung, bevorzugt mindestens zwei Wicklungen, einen Permanentmagneten, einen Stator und einen Rotor umfasst. Der Rotor ist rotierbar zum Stator gelagert. Der Stator umfasst die mindestens eine Wicklung, vorzugsweise genau zwei oder drei Wicklungen. Der Rotor umfasst den wenigstens einen Permanentmagneten. Es kann aber auch der Stator den wenigstens einen Permanentmagneten und der Rotor die mindestens eine Wicklung umfassen. Eine Rotorlagendetektionseinheit ist zur Ermittlung einer Rotorlage des Rotors relativ zum Stator vorgesehen. Eine Steuerungseinrichtung ist derart eingerichtet, dass in Abhängigkeit von der ermittelten Rotorlage ein elektrischer Strom durch die Wicklung bzw. Wicklungen so fließt, dass eine Drehbewegung des Rotors relativ zum Stator erzeugt wird.
Die Rotorlagendetektionseinheit ist so eingerichtet, dass anhand eines Vorzeichenwechsels der durch Induktion in der Wicklung bzw. einer der Wicklungen induzierten Spannung die Rotorlage φ ermittelt werden kann. Eine besonders schnelle und zuverlässige sensorlose Bestimmung der Rotorlage wird so ermöglicht. Der Verzicht auf Positionssensoren erhöht die Robustheit des Motors und senkt den Herstellungsaufwand.
Vorzeichenwechsel bedeutet ein Wechsel zwischen einer negativen induzierten Spannung und einer positiven induzierten Spannung in der Wicklung. Durch Berücksichtigung der Richtung des Vorzeichenwechsels, also ob der Wechsel von einer negativen zu einer positiven oder von einer positiven zu einer negativen induzierten Spannung vorliegt, kann die Rotorlage eindeutig bestimmt werden.
Insbesondere handelt es sich bei dem bürstenlosen Elektromotor um einen bürstenlosen Gleichstrommotor, abgekürzt BLDC-Motor oder BL-Motor. Eine besonders schnelle und zuverlässige sensorlose Bestimmung der Rotorlage wird so ermöglicht. Ein bürstenloser Elektromotor, insbesondere ein BLDC-Motor, umfasst mindestens eine Spule, also einen gewickelten elektrischen Leiter. Die Spule wird daher auch Wicklung genannt. Für den Betrieb des bürstenlosen Elektromotors fließt ein elektrischer Strom durch die Wicklung derart, dass der Permanentmagnet magnetisch angezogen und der Rotor dadurch gedreht wird.
In einer Ausführungsform ermittelt die Rotorlagendetektionseinheit bei dem Vorzeichenwechsel eine Rotorlage, die einer Ausrichtung des Rotors relativ zum Stator entspricht, bei welcher der magnetische Fluss des Permanentmagneten parallel zum magnetischen Fluss der Wicklung liegt. Eine besonders zuverlässige und präzise Zuordnung der Ausrichtung des Rotors relativ zum Stator kann dadurch erzielt werden.
Mit „bei dem Vorzeichenwechsel“ ist ein von der Rotorlagendetektionseinheit erfasster und verarbeiteter Vorzeichenwechsel gemeint, der die durch Induktion in der Wicklung induzierte Spannung betrifft. Eine Ermittlung einer Rotorlage liegt bereits dann vor, wenn im laufenden Betrieb des bürstenlosen Elektromotors das Vorliegen einer vordefinierten Rotorlage detektiert wird.
Ein Beispiel für eine Ausrichtung des Rotors relativ zum Stator, bei welcher der magnetische Fluss des Permanentmagneten parallel zum magnetischen Fluss der Wicklung liegt, ist in 1 bei φ_II = 180° gezeigt.
Insbesondere ist die Rotorlage, die der Ausrichtung des Rotors relativ zum Stator entspricht, bei welcher der magnetische Fluss des Permanentmagneten parallel zum magnetischen Fluss der Wicklung liegt, eine vordefinierte Rotorlage.
In einer Ausführungsform bestimmt die Rotorlagendetektionseinheit bei dem Vorzeichenwechsel die Rotorlage φ als eine erste vordefinierte Rotorlage φ_I oder eine um 180° dazu versetzte zweite vordefinierte Rotorlage φ_II relativ zum Stator und/oder ermittelt anhand einer Richtung des Vorzeichenwechsels die erste vordefinierte Rotorlage φ_I oder die zweite vordefinierte Rotorlage φ_II als die aktuelle Rotorlage φ. Vordefiniert bedeutet, dass die erste vordefinierte Rotorlage φ_I oder die zweite vordefinierte Rotorlage φ_II in der Rotorlagendetektionseinheit festgelegt sind. Eine besonders schnelle Bestimmung der Ausrichtung des Rotors bzw. eine eindeutige Ermittlung der Rotorlage kann auf diese Weise sensorlos, zuverlässig und schnell ermöglicht werden.
Der Begriff „sensorlos“ meint, dass kein separater Positionssensor wie z.B. ein Hall-Sensor vorhanden ist. Eine Einrichtung zum Messen eines in der Wicklung induzierten Stroms, ein Operationsverstärker und/oder Komparator, die den in ein oder mehreren Wicklungen induzierten Strom verarbeiten, sind in diesem Zusammenhang kein „Sensor“ im Sinne der vorliegenden Erfindung.
Eine Richtung des Vorzeichenwechsels ist entweder von Minus nach Plus oder von Plus nach Minus. Grundsätzlich entspricht „Minus“ einem negativen digitalen oder analogen Signal und „Plus“ einem positiven digitalen oder analogen Signal.
In einer Ausgestaltung werden die erste vordefinierte Rotorlage bei einer Richtung des Vorzeichenwechsels von einem negativen Ergebniswert zu einem positiven Ergebniswert und/oder die zweite vordefinierte Rotorlage bei einer Richtung des Vorzeichenwechsels von einem positiven Ergebniswert zu einem negativen Ergebniswert von der Rotorlagendetektionseinheit ermittelt. Der analoge oder digitale Ergebniswert korreliert dabei mit der induzierten Spannung.
In einer Ausführungsform wird die in der Wicklung induzierte Spannung durch einen Vergleich oder eine elektrische Potentialdifferenz von einem ersten elektrischen Potential an einem Punkt A und einem zweiten elektrischen Potential an einem weiteren Punkt B bestimmt und zwar grundsätzlich mithilfe eines Komparators. Eine sensorlose Detektion der Rotorlage kann so mit besonders geringem Aufwand umgesetzt werden.
Das elektrische Potential V, das auch mit dem Symbol Φ angegeben werden kann, beschreibt die Differenz des elektrischen Potenzials gegenüber einem elektrischen Null-Potential. Die Differenz zwischen zwei elektrischen Potentialen entspricht einer Spannung. Die Position des Punktes A und die Position des weiteren Punktes B sind unterschiedlich. Der Punkt A und der weitere Punkt B liegen an unterschiedlichen Positionen derselben Wicklung.
Es ist auch möglich, dass die Wicklung an zwei unterschiedlichen Stellen mit einer Schaltung verbunden ist und an einer solchen Verbindungsstelle ein Bereich der elektrischen Schaltung mit stets gleicher elektrischer Polarität vorliegt. Der Punkt A und/oder der weitere Punkt B können dann innerhalb eines solchen Bereiches der elektrischen Schaltung liegen, jedoch nicht in einem selben Bereich mit stets gleicher elektrischer Polarität.
In einer Ausführungsform sind der Punkt A und der weitere Punkt B derart auf der Wicklung oder in einer mit der Wicklung elektrisch verbundenen elektrischen Schaltung positioniert, dass die in der Wicklung induzierte Spannung zur elektrischen Potentialdifferenz von dem ersten elektrischen Potential an dem Punkt A und dem zweiten elektrischen Potential an dem weiteren Punkt B korreliert. Durch diese Positionierung der Punkte A und B kann eine besonders einfache Bestimmung der induzierten Spannung realisiert werden.
Wenn im Zusammenhang mit einer induzierten Spannung von „der Wicklung“ gesprochen wird, ist im Fall von mehreren Wicklungen die Wicklung gemeint, an der die durch Induktion induzierte Spannung U_i1 anliegt, anhand dessen Vorzeichenwechsel die Rotorlage durch die Steuerungseinrichtung ermittelt werden kann.
In einer Ausführungsform liegen der Punkt A und der weitere Punkt B auf gegenüberliegenden Seiten zu einem Mittelpunkt der Wicklung. Eine besonders zuverlässige Bestimmung eines Vorzeichenwechsels der induzierten Spannung in der Wicklung kann dadurch erzielt werden, insbesondere anhand der elektrischen Potentialdifferenz von den elektrischen Potentialen an den Punkten A und B.
In einer Ausführungsform liegen der Punkt A oder der weitere Punkt B an einem Ende der Wicklung, an einem Anschlussbereich eines Endes der Wicklung an die elektrische Schaltung oder an einem Bereich der elektrischen Schaltung mit stets der gleichen elektrischen Polarität wie am Ende der Wicklung. Ein besonders kompakter Aufbau kann so realisiert werden.
Insbesondere liegen der Punkt A und der weitere Punkt B an gegenüberliegenden Enden der Wicklung, an gegenüberliegenden Anschlussbereichen des Endes der Wicklung an die elektrische Schaltung oder an gegenüberliegenden Bereichen der elektrischen Schaltung, die jeweils die elektrische Polarität wie am Ende der Wicklung aufweisen, das an diesen Bereich der elektrischen Schaltung angeschlossen ist.
In einer Ausgestaltung gehört die elektrische Schaltung zur Steuerungseinrichtung und/oder dient der Bestromung, dem Ansteuern und/oder dem Kommutieren der Wicklung, also einer Stromwendung.
In einer Ausgestaltung weist die Wicklung zwei Enden auf, die jeweils T-förmig mit einer elektrischen Leitung der elektrischen Schaltung elektrisch verbunden sind.
In einer Ausgestaltung wird das erste elektrische Potential an dem Punkt A als Spannung zu einer ersten Erdung gemessen, also gegenüber einem elektrischen Potenzial von Null, und/oder das zweite elektrische Potential an dem Punkt A als Spannung zu einer zweiten Erdung gemessen, also gegenüber einem elektrischen Potenzial von Null.
In einer Ausgestaltung liegt ein Vorzeichenwechsel dann vor, wenn das erste elektrische Potential V_1,A und das zweite elektrische Potential V_1,B miteinander verglichen werden und das erste elektrische Potential V_1,A , das zunächst kleiner als das zweite elektrische Potential V_1,B war, größer als das zweite elektrische Potential V_1,B wird, oder umgekehrt. Das heißt, dass das erste elektrische Potential V_1,A , das zunächst größer war als das zweite elektrische Potential V_1,B , kleiner als das zweite elektrische Potential V_1,B wird. Alternativ oder ergänzend kann die Rotorlagendetektionseinheit so eingerichtet sein, dass der Vorzeichenwechsel erfolgt, wenn das erste elektrische Potential V_1,A und das zweite elektrische Potential V_1,B gleich sind und zuvor unterschiedlich waren. Insbesondere ist letzteres unabhängig von der Höhe der elektrischen Potentiale V_1,A , V_1,B .
In einer Ausgestaltung ist die Rotorlagendetektionseinheit so eingerichtet, dass der Vorzeichenwechsel erfolgt, wenn der durch Induktion in der Wicklung induzierten Spannung gleich Null ist. Durch Berücksichtigung der Richtung des Vorzeichenwechsels, also ob die induzierte Spannung vor Erreichen des Wertes Null negativ oder positiv war, kann die Rotorlage eindeutig bestimmt werden.
In einer Ausführungsform umfasst die Rotorlagendetektionseinheit einen Komparator, wobei das erste elektrische Potential und das zweite elektrische Potential die Eingänge des Komparators bilden. Ein Vergleich oder Bestimmen einer elektrischen Potentialdifferenz von dem ersten elektrischen Potential an dem Punkt A und dem zweiten elektrischen Potential an dem weiteren Punkt B kann so mit besonders wenigen elektronischen Bauteilen umgesetzt werden. Insbesondere ist der Komparator analog. Eine besonders schnelle Signalverarbeitung wird so ermöglicht. Grundsätzlich ist auch ein digital ausgestalteter Komparator möglich, wenn auch vorliegend nicht bevorzugt.
In einer Ausführungsform ist die Rotorlagendetektionseinheit so eingerichtet, dass anhand eines Sprungs oder Flankenwechsels eines Ausgangssignals oder einer Ausgangsspannung des Komparators der Vorzeichenwechsel der durch Induktion in der einen der beiden Wicklungen induzierten Spannung detektiert und für die Kommutierung ausgewertet wird. Es wird so ermöglicht, dass die Steuerungseinrichtung die Kommutierung besonders präzise und zuverlässig durchführen und an die aktuellen Bedingungen des laufenden bürstenlosen Gleichstrommotors anpassen kann.
In einer Ausführungsform umfasst der Komparator einen Operationsverstärker, oder es ist ein Operationsverstärker mit Komparator vorgesehen. Das Ausgangssignal oder die Ausgangsspannung können so verbessert und besonders zuverlässig ausgewertet werden.
In einer Ausführungsform ist die Steuerungseinrichtung so eingerichtet, dass eine Kommutierung einen zeitlichen Abstand vor und nach einem Vorzeichenwechsel der durch Induktion in der Wicklung induzierten Spannung vorsieht. Die Bestimmung der induzierten Spannung in der Wicklung durch die Rotorlagendetektionseinheit wird hierdurch nicht durch das Ansteuern und die Bestromung der Wicklung behindert. Ferner wird die induzierte Spannung durch die Eigeninduktion des laufenden bürstenlosen Gleichstrommotors nicht durch das Ansteuern beeinträchtigt und somit ein besonders störungsfreies und gut auswertbares Signal für die Rotorlagendetektionseinheit ermöglicht.
In einer Ausführungsform entspricht der zeitliche Abstand einer Winkeldifferenz der Rotorlage φ von mindestens 30° und/oder höchstens 60°, bevorzugt ungefähr 45°. Der zeitliche Abstand ist also so gewählt, dass die Wicklung zwischen 30° und 60° vor Erreichen des prognostizierten Vorzeichenwechsels nicht mehr angesteuert wird und/oder die Wicklung nach dem detektierten und ausgewerteten Vorzeichenwechsel und einer Rotation zwischen 30° und 60° erst wieder angesteuert wird. Eine besonders zuverlässige Ermittlung der Rotorlage kann so ermöglicht werden.
In einer Ausführungsform umfasst der Stator wenigstens zwei Wicklungen. Die zwei Wicklungen können den wenigstens einen Permanentmagneten des Rotors abwechselnd magnetisch anziehen und magnetisch abstoßen.
In einer Ausführungsform umfasst der Rotor eine Mehrzahl von Permanentmagneten, die durch ein oder mehrere Wicklungen des Stators und durch die Wicklungen fließenden Strom abwechselnd derart angezogen und abgestoßen werden, dass eine Drehbewegung des Rotors erzeugt wird.
In einer Ausführungsform ist der bürstenlose Elektromotor ein Innenläufer. Eine oder mehrere Wicklungen sind dann drehfest um einen oder mehrere Permanentmagneten am des Rotors herum angeordnet.
In einer Ausführungsform ist der bürstenlose Elektromotor ein Außenläufer. Ein oder mehrere Permanentmagneten sind dann um die mindestens eine Wicklung herum insbesondere gruppiert angeordnet.
Grundsätzlich ist nicht vollkommen ausgeschlossen, dass abweichend von dem zuvor Gesagten der Stator den wenigstens einen Permanentmagneten umfasst und der Rotor die wenigstens eine Wicklung. Da die wenigstens eine Wicklung jedoch unter anderem mit einer Stromquelle verbunden sein muss, ist dies wenig praktikabel.
In einer Ausführungsform bilden eine Wicklung zusammen mit einem Kern, insbesondere Eisenkern, einen Elektromagneten mit zwei Armen, die radial zum Rotor zeigen, wobei der Rotor mittig zwischen den zwei Armen angeordnet ist. Ein besonders wirkungsvolles Erzeugen eines Drehmoments des Elektromotors wird so ermöglicht.
In einer Ausgestaltung, in welcher der Stator zwei Wicklungen aufweist, bilden beide Wicklungen jeweils einen Elektromagneten, der wie im vorhergehenden Absatz beschrieben aufgebaut ist, also mit zwei Armen, die radial zum Rotor zeigen, wobei der Rotor mittig zwischen den zwei Armen angeordnet ist.
In einer Ausführungsform sind die Arme des Elektromagneten der Wicklung senkrecht zu den Armen des Elektromagneten einer weiteren Wicklung orientiert und/oder die vier Arme bilden eine Kreuzform mit dem Rotor im Zentrum aus. Die für die Ermittlung der Rotorlage zu bestimmende induzierte Spannung der Wicklung wird durch diese Anordnung besonders wenig durch die Bestromung der anderen Wicklung beeinträchtigt und eine besonders zuverlässige Ermittlung der Rotorlage wird so ermöglicht.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung auch anhand von Figuren näher erläutert und die nachfolgend beschriebenen Merkmale können einzeln oder in einer Mehrzahl mit den beanspruchten Gegenständen kombiniert werden. Die beanspruchten Schutzbereiche sind nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt.
Es zeigen:

1: Schematische Darstellung des Verlaufs des magnetischen Flusses, der in der Wicklung L1 induzierten Spannung und der Bestromung der Wicklung L1 über die Rotorlage;
2: Schematische Darstellung einer elektrischen Schaltung zur Bestromung der Wicklung L1 und zur Bestimmung der induzierten Spannung;
3: Schematische Darstellung eines Komparators bzw. Operationsverstärkers der Rotorlagendetektionseinheit.

Die 1 zeigt schematisch den Rotor 3 mit einem Permanentmagneten 1 eines bürstenlosen Gleichstrommotors, also eines BLDC-Motors, der relativ zum Stator 2 in der Ebene der Ansicht um eine nicht dargestellte Achse im Zentrum des Rotors 3 rotieren kann. Der Rotor 3 befindet sich im Zentrum von kreuzartig auf den Rotor 3 gerichteten Armen 7 von zwei senkrecht zueinander orientierten Elektromagneten.
Der Permanentmagnet 1 ist rund, insbesondere kreisrund in Rotationsebene, wobei eine Hälfte den Nordpol N und die andere Hälfte den Südpol S bildet. Der Nordpol N und der Südpol S sind durch eine Gerade mittig und/oder symmetrisch getrennt. Die Rotationspfeile zeigen die Rotationsrichtung des Rotors 3 an.
Zwei Wicklungen L1, L2, nämlich die Wicklung L1 und die weitere Wicklung L2, sind am Stator 2 angeordnet und bilden jeweils nicht dargestellte Spulen, die sich parallel zu den Armen des jeweiligen Elektromagneten erstrecken. Eine Spule und ein Kern, insbesondere Eisenkern, bilden einen Elektromagneten.
Für den Betrieb des bürstenlosen Gleichstrommotors fließt ein elektrischer Strom durch die Wicklungen L1 und L2 derart, dass der Permanentmagnet 1 magnetisch angezogen und der Rotor 3 dadurch gedreht wird. Erreicht der Permanentmagnet 1 die Wicklung L1, so wird der durch die Wicklung L1 fließende elektrische Strom zunächst abgeschaltet. Hat der Permanentmagnet 1 die Wicklung L1 passiert, so fließt der elektrische Strom durch die Wicklung L1 derart, dass der Permanentmagnet 1 magnetisch abgestoßen wird.
Um das vorgenannte Fließen des elektrischen Stroms durch die Wicklungen L1 und L2 hindurch bürstenlos geeignet zu steuern, ist eine Rotorlagendetektionseinheit vorhanden, mit der die Lage des Permanentmagneten 1 relativ zur Lage der Wicklung L1 ermittelt wird.
Eine Steuerungseinrichtung ist vorhanden, mit der das Fließen des elektrischen Stroms durch die Wicklungen L1 und L2 in Abhängigkeit von der Lage des Permanentmagneten 1 relativ zur Wicklung so gesteuert wird, dass der Permanentmagnet 1 in vorbeschriebener Weise von den Wicklungen L1 und L2 jeweils abwechselnd magnetisch angezogen und abgestoßen wird, um den Rotor 3 auf diese Weise zu drehen.
Wie das obere Diagramm im unteren Bereich der 1 zeigt, erfolgt ein Vorzeichenwechsel der in der Wicklung L1 induzierten Spannung U_i1 bei einer Rotorlage φ mit dem größten magnetischen Fluss Φ₁ . Dies ist der Fall, wenn der magnetischen Fluss des Permanentmagneten 1 parallel zum magnetischen Fluss der Wicklung L1 des Stators 2 liegt. Hierbei ist die Gerade, welche den Nordpol N und den Südpol S des Permanentmagneten 1 mittig voneinander trennt, senkrecht zum der Wicklung L1 zugeordneten Statorstrang bzw. Arm 7 orientiert. Anders ausgedrückt ist die Gerade senkrecht zu den der Wicklung L1 zugeordneten Armen 7 oder einer durch die Wicklung L1 gebildeten Spule orientiert.
Eine erste vordefinierte Rotorlage φ_I ist in 1 bei φ = 0° gezeigt. Diese vordefinierte Rotorlage φ_I liegt dann vor, wenn ein Vorzeichenwechsel der in der Wicklung L1 induzierten Spannung U_i1 von Negativ zu Positiv durch Detektion und Auswertung der Rotorlagendetektionseinheit ermittelt wurde.
Eine zweite vordefinierte Rotorlage φ_II ist in 1 bei φ = 180° gezeigt. Diese vordefinierte Rotorlage φ_II liegt dann vor, wenn ein Vorzeichenwechsel der in der Wicklung L1 induzierten Spannung U_i1 von Positiv zu Negativ durch Detektion und Auswertung der Rotorlagendetektionseinheit ermittelt wurde.
Wie das untere Diagramm im unteren Bereich der 1 zeigt, wird die Wicklung L1 durch ein Ansteuersignal I_A angesteuert, das mittels Pulsweitenmodulation in ein Rechtecksignal I_PWM zur Bestromung der Wicklung L1 umgewandelt wird. Die Wicklung L1 wird zum Zeitpunkt der Ermittlung der Rotorlage durch die Rotorlagendetektionseinheit nicht bestromt. So ergibt sich aus dem Ansteuerungsschema bzw. der Kommutierung ein festgelegtes Zeitfenster, in dem der Vorzeichenwechsel der in der Wicklung L1 induzierten Spannung detektiert und ausgewertet werden kann.
Insbesondere sind die beiden Wicklungen L1 und L2 gleich aufgebaut und werden um 90° verschoben angeordnet und auch um 90° verschoben angesteuert. Grundsätzlich können auch drei Wicklungen vorgesehen werden, was vorliegend nicht bevorzugt wird.
Vorzugsweise Die beiden Wicklungen L1 und L2 sind so eingerichtet, dass sie völlig unabhängig von einander agieren können.
Zum Starten wird der bürstenlose Gleichstrommotor blind kommutierend auf Drehzahl gebracht. Hierzu wird die Ermittlung der Rotorlage nicht gebraucht, weil der Rotor 3 in dieser Startphase in eine bestimmte Rotationslage gezwungen wird. Anschließend wird die Drehgeschwindigkeit insbesondere in mehreren Stufen gesteigert.
Im laufenden Betrieb des bürstenlosen Gleichstrommotors, also im Anschluss an eine Startphase, wird ein sogenannter Zündzeitpunkt auf Basis der ermittelten Rotorlage beim Vorzeichenwechsel der induzierten Spannung in der Spule bzw. Wicklung L1 und/oder in Analogie dazu der weiteren Spule bzw. weiteren Wicklung L2 umgeschaltet, also kommutiert. Der bürstenlose Gleichstrommotor kann dadurch besonders stabil betrieben werden.
Die 2 zeigt eine elektrische Schaltung 4 zum Bestromen der Wicklung L1 mit der Versorgungsspannung Vcc, einer Erdung und/oder vier Schaltern S1, S2, S3 und S4 an einer geschlossenen Leitung 8. Insbesondere ist die Wicklung L1 an dem Punkt A zwischen den Schaltern S1 und S2 mit der Leitung 8 verbunden. Insbesondere ist auf der gegenüberliegenden Seite der Mitte 5 der Wicklung L1 die Wicklung L1 zwischen den Schaltern S3 und S4 mit der Leitung 8 verbunden. Insbesondere ist die Versorgungsspannung Vcc zwischen den Schaltern S1 und S3 mit der Leitung 8 verbunden. Insbesondere ist die Erdung zwischen den Schaltern S2 und S4 mit der Leitung 8 verbunden.
Bevorzugt wird das erste elektrische Potential V_1,A an dem Punkt A durch Messung einer Spannung zu einer Erdung und/oder das zweite elektrische Potential V_1,B an dem Punkt B durch Messung einer Spannung zu einer Erdung gemessen.
Die 3 zeigt einen Operationsverstärker, der als Komparator 6 für die Eingänge des ersten elektrischen Potentials V_1,A und des zweiten elektrischen Potentials V_1,B dient.
Der Vorzeichenwechsel der an der Wicklung L1 induzierten Spannung U_i1 liegt an, wenn die elektrischen Potentiale an dem Punkt A und dem weiteren Punkt B gleich sind und durch Auswertung der Richtung des Vorzeichenwechsels die Rotorlage eindeutig zugeordnet werden kann. Das erste elektrische Potential V_1,A und das zweite elektrische Potential V_1,B der Wicklung L1 werden mittels des Operationsverstärkers bzw. Komparators 6 verglichen, so dass eine positive Differenzspannung V_1,Diff eine Ausgangsspannung V₁ in Höhe der festgelegten maximalen Ausgangsspannung des Operationsverstärkers zur Folge hat und für eine negative Differenzspannung V_1,Diff die festgelegte minimale Ausgangsspannung des Operationsverstärkers anliegt.
Ein Sprung der Ausgangsspannung V₁ (Flankenwechsel) entspricht dem Vorzeichenwechsel der in der Wicklung induzierten Spannung U_i1 und durch Auswertung des Wechsels von minimaler zu maximaler oder maximaler zu minimaler Ausgangsspannung kann somit der Vorzeichenwechsel der in der Wicklung L1 induzierten Spannung ermittelt und damit mithilfe der Rotorlagendetektionseinheit eindeutig bestimmt werden, ob die erste vordefinierte Rotorlage φ_I oder die zweite vordefinierte Rotorlage φ_II relativ zum Stator 2 vorliegt.
Es müssen folglich für einen stabilen Betrieb kein zusätzlicher Hallsensor oder andere Positionssensoren am Motor angebracht werden, wodurch der sonst angefallene zusätzliche mechanische Aufwand und die Kosten für Halterungen und Verkabelung eines Sensors am Motor entfallen.
Stattdessen wird eine besonders schnelle, sensorlose Erfassung der Rotorlage ermöglicht. Das Auswerten der induzierten Spannung in nur einer Wicklung genügt bereits für die sensorlose Ermittlung der Rotorlage bzw. die Detektion eines Vorzeichenwechsels der in die Wicklung induzierten Spannung.
In einer Ausführungsform ist der bürstenlose Gleichstrommotor ein Gebläsemotor, insbesondere ein Gebläsemotor für einen Haushaltshandstaubsauger. Ein besonders geräuscharmer Betrieb kann so sichergestellt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19860448 A1 [0006]

Claims

Bürstenloser Elektromotor mit einer Wicklung (L1, L2), einem Permanentmagneten (1), einem Stator (2) und einem Rotor (3), der rotierbar zum Stator (2) gelagert ist, wobei der Rotor (3) den Permanentmagneten (1) und der Stator (2) die Wicklung (L1, L2) umfasst oder wobei der Rotor (3) die Wicklung (L1, L2) und der Stator (2) den Permanentmagneten (1) umfasst, wobei eine Rotorlagendetektionseinheit zur Ermittlung einer Rotorlage φ des Rotors (3) relativ zum Stator (2) vorgesehen ist, wobei eine Steuerungseinrichtung derart eingerichtet ist, dass in Abhängigkeit von der ermittelten Rotorlage φ ein Stromfluss durch die Wicklung (L1, L2) für ein Erzeugen einer Drehung des Rotors (3) relativ zum Stator (2) durch Wechselwirkung mit dem Permanentmagneten (1) gesteuert werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorlagendetektionseinheit so eingerichtet ist, dass anhand eines Vorzeichenwechsels der durch Induktion in der Wicklung (L1) induzierten Spannung (U_i1) die Rotorlage φ ermittelt werden kann.
Bürstenloser Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorlagendetektionseinheit bei dem Vorzeichenwechsel eine Rotorlage φ ermittelt, die einer Ausrichtung des Rotors (3) relativ zum Stator (2) entspricht, bei welcher der magnetische Fluss des Permanentmagneten (1) parallel zum magnetischen Fluss der Wicklung (L1) liegt.
Bürstenloser Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorlagendetektionseinheit bei dem Vorzeichenwechsel die Rotorlage φ als eine erste vordefinierte Rotorlage (φ_I) oder eine um 180° dazu versetzte zweite vordefinierte Rotorlage (φ_II) relativ zum Stator (2) bestimmt und/oder anhand einer Richtung des Vorzeichenwechsels die erste vordefinierte Rotorlage (φ_I) oder die zweite vordefinierte Rotorlage (φ_II) als die aktuelle Rotorlage φ ermittelt.
Bürstenloser Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Wicklung (L1) induzierte Spannung (U_i1) durch einen Vergleich oder eine elektrische Potentialdifferenz (V_1,Diff) von einem ersten elektrischen Potential (V_1,A) an einem Punkt A und einem zweiten elektrischen Potential (V_1,B) an einem weiteren Punkt B bestimmt wird.
Bürstenloser Gleichstrommotor nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Punkt A und der weitere Punkt B derart auf der Wicklung (L1) oder in einer mit der Wicklung (L1) elektrisch verbundenen elektrischen Schaltung (4) positioniert sind, dass die in der Wicklung (L1) induzierte Spannung (U_i1) zur elektrischen Potentialdifferenz (V_1,Diff) von dem ersten elektrischen Potential (V_1,A) an dem Punkt A und dem zweiten elektrischen Potential (V_1,B) an dem weiteren Punkt B korreliert.
Bürstenloser Gleichstrommotor nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Punkt A und der weitere Punkt B auf gegenüberliegenden Seiten zu einem Mittelpunkt (5) der Wicklung (L1) liegen.
Bürstenloser Gleichstrommotor nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Punkt A oder der weitere Punkt B an einem Ende der Wicklung (L1), an einem Anschlussbereich eines Endes der Wicklung an die elektrische Schaltung (4) oder an einem Bereich der elektrischen Schaltung (4) mit stets der gleichen elektrischen Polarität wie am Ende der Wicklung (L1) liegen.
Bürstenloser Gleichstrommotor nach einem der fünf vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorlagendetektionseinheit einen Komparator (6) umfasst, wobei das erste elektrische Potential (V_1,A) und das zweite elektrische Potential (V_1,B) die Eingänge des Komparators (6) bilden.
Bürstenloser Gleichstrommotor nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorlagendetektionseinheit so eingerichtet ist, dass anhand eines Sprungs oder Flankenwechsels eines Ausgangssignals oder einer Ausgangsspannung (V₁) des Komparators (6) der Vorzeichenwechsel der durch Induktion in der einen der beiden Wicklungen (L1) induzierten Spannung (U_i1) detektiert und für eine Kommutierung ausgewertet wird.
Bürstenloser Gleichstrommotor nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Komparator (6) einen Operationsverstärker umfasst oder ein Operationsverstärker mit dem Komparator (6) vorgesehen ist.
Bürstenloser Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung so eingerichtet ist, dass eine Kommutierung einen zeitlichen Abstand vor und nach einem Vorzeichenwechsel der durch Induktion in der einen der beiden Wicklungen (L1) induzierten Spannung (U_i1) vorsieht.
Bürstenloser Gleichstrommotor nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Abstand einer Winkeldifferenz der Rotorlage φ von mindestens 30° und/oder höchstens 60°, bevorzugt ungefähr 45°, entspricht.
Bürstenloser Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (2) zwei Wicklungen (L1, L2) aufweist.
Bürstenloser Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung (L1, L2) zusammen mit einem Kern einen Elektromagneten mit zwei Armen (7) bildet, wobei die zwei Arme (7) radial zum Rotor (3) zeigen, wobei der Rotor (3) mittig zwischen den zwei Armen (7) angeordnet ist.
Bürstenloser Gleichstrommotor nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Arme (7) des Elektromagneten der Wicklung (L1) senkrecht zu den Armen (7) des Elektromagneten einer weiteren Wicklung (L2) orientiert sind.