DE102019004428A1

DE102019004428A1 - Electronically commutated electric motor

Info

Publication number: DE102019004428A1
Application number: DE102019004428.2A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-06-21
Filing date: 2019-06-21
Publication date: 2020-12-24

Abstract

Es wird ein einsträngiger elektronisch kommutierter Elektromotor vorgeschlagen, mit einem permanentmagnetisch erregten Läufer, der ein hohes Anlaufmoment und einen hohen Wirkungsgrad aufweist.A single-strand, electronically commutated electric motor is proposed, with a rotor that is excited by permanent magnets and has a high starting torque and a high degree of efficiency.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronisch kommutierten Elektromotor, gemäß der nebengeordneten Patentansprüche 1 und 2.The invention relates to an electronically commutated electric motor according to the independent claims 1 and 2.

Elektronisch kommutierte Elektromotoren sind in unterschiedlicher Auslegung und Wirkungsweise bekannt. Überwiegend sind solche Motoren mit einem PM bestückten Läufer versehen.Electronically commutated electric motors are known in different designs and modes of operation. Most of these motors are equipped with a PM-equipped rotor.

DE 10 2012 205 421 A1 beschreibt einen Außenläufermotor. Ein Innenständer beinhaltet vier Ständerzähne, wobei zwei sich gegenüber liegende Ständerzähne mit jeweils einer Spule eines Wicklungsstranges versehen sind, und zwei weitere Ständerzähne unbestückt sind. Am Außenläufer sind vier Permanentmagnete angeordnet, wobei eine Breite der bestückten Ständerzähne einen kleinen Anteil einer Breite der Permanentmagnete am Läufer entspricht und ohne Polschuhe ausgebildet sind, wohingegen die nicht bestückten Ständerzähne Polschuhe tragen.
Für einen Anlauf in einer vorbestimmten Drehrichtung des Motors ist eine Asymmetrie des Innenteils durch einen asymmetrischen Verlauf der Außenseite 20 des jeweiligen Polschuhs 19 gebildet.
Mit einem solchen Elektromotor lässt sich nur ein geringer Wirkungsgrad erzielen. DE 10 2012 205 421 A1 describes an external rotor motor. An inner stator contains four stator teeth, two opposing stator teeth each being provided with a coil of a winding strand, and two further stator teeth being unequipped. Four permanent magnets are arranged on the external rotor, a width of the equipped stator teeth corresponding to a small proportion of a width of the permanent magnets on the rotor and being designed without pole shoes, whereas the unequipped stator teeth have pole shoes.
For a start in a predetermined direction of rotation of the motor, an asymmetry of the inner part is due to an asymmetrical course of the outer side 20th of the respective pole piece 19th educated.
With such an electric motor, only a low level of efficiency can be achieved.

DE 10 2006 004 313 A1 beschreibt ein Verfahren zur Steuerung eines Gleichspannungs-Elektromotors.
In 1 ist ein einsträngiger elektronisch kommutierter Gleichspannungs-Elektromotor 10 mit einem Außen-Rotor 12 und einen Innen-Stator 14 im Querschnitt dargestellt. Der Rotor 12 ist permanent erregt und vierpolig ausgebildet. Der Innen-Stator 14 ist ebenfalls vierpolig ausgebildet und weist vier Polarme 16 auf.
Der Elektromotor ist nur für eine festgelegte Drehrichtung ausgelegt, wobei der Luftspalt zwischen den Permanentmagneten am Läufer und den Polschuhen der Polarme des Innen-Stators asymmetrisch ausgebildet ist, wodurch auch hier ein Wirkungsgrad eingeschränkt ist. DE 10 2006 004 313 A1 describes a method for controlling a DC voltage electric motor.
In 1 is a single-strand electronically commutated direct voltage electric motor 10 with an outer rotor 12th and an inner stator 14th shown in cross section. The rotor 12th is permanently excited and has four poles. The inner stator 14th is also four-pole and has four pole arms 16 on.
The electric motor is only designed for a fixed direction of rotation, the air gap between the permanent magnets on the rotor and the pole pieces of the pole arms of the inner stator being asymmetrical, which also limits efficiency here.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Anwendung eines PM bestückten Läufers einen Elektromotor mit einer einphasigen Feldwicklung zu schaffen, der einen hohen Wirkungsgrad aufweist, und bei dem ein Rastmoment des Läufers, und eine Geräuschentwicklung, und eine Welligkeit von Läuferschritten deutlich reduziert ist.The invention is based on the object of using a PM-equipped rotor to create an electric motor with a single-phase field winding, which has a high degree of efficiency and in which a cogging torque of the rotor, and noise, and ripple of rotor steps are significantly reduced.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der nebengeordneten Patentansprüche 1 und 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den übrigen Ansprüchen und der Beschreibung zu entnehmen.This object is achieved by the features of the independent claims 1 and 2. Advantageous embodiments of the invention can be found in the remaining claims and the description.

Durch einen speziellen Aufbau und eine effektive Steuerung des erfindungsgemäßen elektronisch kommutierten Elektromotors bestehen die Vorteile im besonderen darin, daß der Elektromotor eine hohe Energiedichte aufweist und ein hoher Wirkungsgrad von mindestens 90% erzielt wird, wobei ein Rastmoment des Läufers und eine Drehmomentwelligkeit deutlich reduziert ist.
Eine Läuferstellung zum Ständer ist vorzugsweise über eine Winkelerfassungseinrichtung ermittelt, eine Lageerkennung der Läuferstellung zum Ständer ist mit einem Drehwinkelgeber in einer Ausgabe von Gradwinkel an einen Controller einer Steuerelektronik durchgeführt, und ein Programm des Controllers legt jeweils einen Einschaltzeitpunkt für den Wicklungsstrang zur Bestimmung von Läuferschritten in Gradwinkel fest, womit ein Linkslauf oder ein Rechtslauf des Elektromotors bestimmt werden kann, und variable Drehzahlen sind mit dem Drehwinkelgeber und dem Programm des Controllers einstellbar, wobei ein Einschaltzeitpunkt des Wicklungsstranges zur Bestimmung von Läuferschritten zu einer jeweiligen Drehzahl des Läufers entsprechend zurückverlegt oder vorverlegt ist, so daß bei jeder Drehzahl und jeder Läuferstellung ein optimales Drehmoment am Läufer anliegt, und somit jeweils ein hoher maximaler Wirkungsgrad des Elektromotors erzielt ist.
Durch eine entsprechende Auslegung und Bemaßung des Ständers und des Läufers und einer Ansteuerung des Wicklungsstranges durch ein spezielles Programm des Controllers der Steuerelektronik wird ein hochdynamisch steuerbarer Lauf des Elektromotors erreicht, und der Motor besitzt ein entsprechendes hohes Anlaufmoment und eine hohe Überlastbarkeit.Due to a special structure and effective control of the electronically commutated electric motor according to the invention, the particular advantages are that the electric motor has a high energy density and a high efficiency of at least 90% is achieved, with a cogging torque of the rotor and a torque ripple is significantly reduced.
A rotor position to the stator is preferably determined via an angle detection device, a position detection of the rotor position to the stator is carried out with a rotary encoder in an output of degree angles to a controller of a control electronics, and a program of the controller sets a switch-on time for the winding phase in each case to determine rotor steps Degree angle fixed, with which a counterclockwise or clockwise rotation of the electric motor can be determined, and variable speeds can be set with the rotary encoder and the program of the controller, whereby a switch-on time of the winding phase for determining rotor steps is moved back or forward according to a respective speed of the rotor, so that an optimal torque is applied to the rotor at every speed and every rotor position, and thus a high maximum efficiency of the electric motor is achieved in each case.
By appropriately designing and dimensioning the stator and the rotor and activating the winding phase using a special program in the control electronics controller, the electric motor can run in a highly dynamic manner, and the motor has a correspondingly high starting torque and high overload capacity.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to the drawing.

Dabei zeigt:

1 und 2 in axialer Draufsicht schematische Darstellungen vom Ständer und Läufer des erfindungsgemäßen Elektromotors,
3 eine Einrichtung zur Ermittlung einer Läuferstellung,
4 eine Schaltungsanordnung einer elektronischen Steuereinrichtung zur Kommutierung von Wicklungssträngen des Elektromotors.

It shows:

1 and 2 In an axial plan view, schematic representations of the stator and rotor of the electric motor according to the invention,
3 a device for determining a rotor position,
4th a circuit arrangement of an electronic control device for commutating the winding phases of the electric motor.

1 zeigt in axialer Draufsicht eine Darstellung vom Ständer und Läufer eines Ausführungsbeispiels. Der Ständer 1 beinhaltet acht Ständerzähne 2 mit Polhörnern 3, und am Läufer 4 sind acht Permanentmagnetfelder 5 angeordnet.
Am Ständer 1 ist ein Wicklungsstrang A angeordnet, wobei Spulen 6 des Wicklungsstranges A jeweils einen Ständerzahn 2 umschlingen. Nebeneinander liegende Spulen 6 des Wicklungsstranges bilden an den Ständerzähnen 2 ungleichnamige Polfelder zueinander. 1 zeigt eine Läuferstellung am Anfang eines jeweiligen Läuferschrittes und es stehen sich jeweils ein Ständerzahn 2 und ein Permanentmagnetfeld des Läufers mit einer gleichen Polbildung S,S; N,N am Luftspalt gegenüber. Der Wicklungsstrang A wird nach einem jeweiligen Läuferschritt jeweils umgepolt, und ein jeweiliger Läuferschritt beträgt eine Wegstrecke von einer Breite eines Ständerzahns plus eine Weite einer Nutöffnung 7 am Luftspalt 8. Bei einem jeweiligen Läuferschritt ist jeder Ständerzahn 2 mit einem Magnetfeld beaufschlagt, und jedem Ständerzahn ist ein Permanentmagnetfeld des Läufers zugeordnet, so daß eine Anzahl der Ständerzähne einer Anzahl der Permanentmagnetfelder am Läufer entspricht, wodurch der Elektromotor eine hohe Energiedichte aufweist.
Ein Ständer besitzt mindestens zwei Ständerzähne und ein Läufer besitzt mindestens zwei Permanentmagnetfelder, wobei eine höhere Anzahl von Ständerzähnen und eine höhere Anzahl von Permanentmagnetfeldern am Läufer unbegrenzt ist, wenn diese Anzahl durch zwei teilbar ist.
Während eines Läuferschrittes ist ein Fluss der Felder am Ständer und am Läufer, im Bezug zur Drehrichtung des Läufers, durch eine Feldlinie 9 gekennzeichnet.
Eine Polbildung am Läufer kann durch einzelne Permanentmagnete, oder durch einen Permanentmagnetring, oder durch einen Permanentmagnetläufer durchgeführt sein.
Der Elektromotor läuft problemlos mindestens mit einer Nennlast in beide Drehrichtungen an, indem ein Zündwinkel für den Wicklungsstrang entsprechend für eine vorbestimmte Drehrichtung durch ein Programm der Steuerelektronik bestimmt ist. 1 shows a representation of the stator and rotor of an embodiment in an axial plan view. The stand 1 includes eight stand teeth 2 with polar horns 3 , and on the runner 4th are eight permanent magnetic fields 5 arranged.
On the stand 1 a winding phase A is arranged, with coils 6th of the winding phase A each have a stator tooth 2 embrace. Coils lying next to each other 6th of the winding strand form on the stator teeth 2 opposite pole fields to each other. 1 shows a rotor position at the beginning of a respective rotor step and there are always one stator tooth 2 and a permanent magnetic field of the rotor with the same pole formation S, S; N, N at the air gap opposite. The polarity of the phase winding A is reversed after a respective rotor step, and a respective rotor step amounts to a distance of the width of a stator tooth plus the width of a slot opening 7th at the air gap 8th . Each step of the rotor is a stator tooth 2 acted upon by a magnetic field, and each stator tooth is assigned a permanent magnetic field of the rotor, so that a number of the stator teeth corresponds to a number of the permanent magnetic fields on the rotor, whereby the electric motor has a high energy density.
A stator has at least two stator teeth and a rotor has at least two permanent magnetic fields, with a higher number of stator teeth and a higher number of permanent magnetic fields on the rotor being unlimited if this number is divisible by two.
During a runner step, the fields on the stand and the runner, in relation to the direction of rotation of the runner, flow through a field line 9 marked.
Pole formation on the rotor can be carried out by individual permanent magnets, or by a permanent magnet ring, or by a permanent magnet rotor.
The electric motor starts up without any problems with at least a nominal load in both directions of rotation, in that an ignition angle for the winding phase is determined accordingly for a predetermined direction of rotation by a program of the control electronics.

Ein Zündwinkel für einen Anlauf des Elektromotors wird mit einer Winkelerfassungseinrichtung ermittelt und ist in der 3 als Drehwinkelgeber beschrieben. Für einen Anlauf des Läufers ist ein Rastmoment des Läufers zu überwinden. Daher werden die Ständerzähne mit einem entsprechenden Magnetfeld beaufschlagt, wodurch sich am Luftspalt jeweils gegenüber stehende gleichnamige Magnetfelder des Ständers und des Läufers in irgendeiner Richtung ausweichen werden, und der Läufer sich in irgendeiner Drehrichtung bewegen wird. Bewegt sich der Läufer in einer falschen Drehrichtung, so wird der Wicklungsstrang sofort umgepolt, wodurch ein Wechselfeld an den Ständerzähnen gebildet wird.
Alternativ erzeugt die Winkelerfassungseinrichtung während des Anlaufens ein Wechselfeld mit einer niedrigen Frequenz und von mindestens 1° Schrittlänge und von ein Zehntel einer Sekunde Betriebsdauer an den Ständerzähnen, wodurch eine Feldprellung verursacht wird und der Läufer in die gewünschte Drehrichtung gezwungen wird.
Damit ein Rastmoment des Läufers leichter überwunden werden kann, ist der Zündwinkel für den Wicklungsstrang entsprechend vorverlegt.
An jedem Ständerzahn und an jedem Permanentmagnet am Läufer liegt ein Drehmoment an. Eine jeweilige Feldstärke an den Ständerzähnen sollte mindestens eine Feldstärke der Permanentmagnetfelder am Läufer entsprechen, so daß während eines jeweiligen Läuferschrittes ein jeweiliges Permanentmagnetfeld zur Feldverstärkung am Ständer beiträgt, wobei eine Eisensättigung des Ständers zu berücksichtigen ist. Die Felder am Ständer und am Läufer schließen sich auf dem kürzesten Wege, wodurch eine geringere Erwärmung des Elektromotors und ein hoher Wirkungsgrad erzielt wird.An ignition angle for starting the electric motor is determined with an angle detection device and is in the 3 described as a rotary encoder. In order for the rotor to start up, a cogging torque of the rotor must be overcome. A corresponding magnetic field is therefore applied to the stator teeth, as a result of which opposing magnetic fields of the same name of the stator and the rotor at the air gap will evade in any direction and the rotor will move in any direction of rotation. If the rotor moves in the wrong direction of rotation, the polarity of the phase winding is reversed immediately, creating an alternating field on the stator teeth.
Alternatively, the angle detection device generates an alternating field with a low frequency and a step length of at least 1 ° and an operating time of one tenth of a second on the stator teeth during start-up, which causes a field bounce and the rotor is forced in the desired direction of rotation.
So that a cogging torque of the rotor can be overcome more easily, the ignition angle for the winding phase is brought forward accordingly.
A torque is applied to each stator tooth and to each permanent magnet on the rotor. A respective field strength on the stator teeth should correspond to at least one field strength of the permanent magnetic fields on the rotor, so that a respective permanent magnetic field contributes to the field intensification on the stator during a respective rotor step, taking into account iron saturation of the stator. The fields on the stator and on the rotor close in the shortest possible way, which results in less heating of the electric motor and higher efficiency.

Der Elektromotor kann auch für eine vorbestimmte Drehrichtung ausgelegt sein, indem der Läufer oder der Ständer entsprechend ausgelegt ist.The electric motor can also be designed for a predetermined direction of rotation in that the rotor or the stator is designed accordingly.

1a zeigt eine solche Auslegung für einen Rechtslauf des Läufers 4'. Die Permanentmagnet-Segmente 5' am Läufer sind zweipolig ausgebildet und besitzen jeweils einen S-Pol 10 und einen N-Pol 11, wobei der S-Pol 10 jeweils einer Breite der Ständerzähne entspricht, und der N-Pol 11 jeweils einer Breite eines Ständerzahns plus eine Weite einer Ständernutöffnung 7 entspricht, oder ein jeweiliger S-Pol 10 besitzt eine Breite eines Ständerzahns plus eine Weite einer Ständernutöffnung 7 und eine jeweilige Breite der N-Pole entspricht einer Breite eines Ständerzahns. Zwischen den Permanentmagnet-Segmenten 5' ist jeweils ein Zwischenraum 12 oder ein Läuferzahn vorhanden, wobei der Zwischenraum 12 oder der Läuferzahn jeweils eine Weite einer Ständernutöffnung 7 entspricht.
Die Polfelder 10 und 11 können auch aus einzelnen Permanentmagneten bestehen.
Für einen Rechtslauf des Läufers liegen die breiteren Polfelder 11 rechts von dem Zwischenraum 12, und für einen Linkslauf des Läufers liegen die bereiteren Polfelder 11 links von dem Zwischenraum 12, und somit jeweils in Bezug zur Drehrichtung des Läufers.
Nach einer Ausführung des Elektromotors der 1, besitzt der Läufer ein hohes Rastmoment und eine hohe Welligkeit von Läuferschritten.
Damit ein Rastmoment des Läufers reduziert ist und eine Raststellung für einen Anlauf des Elektromotors optimal ist, sind zwischen den bestückten Ständerzähnen unbestückte Ständerzähne angeordnet. 1a shows such a design for a clockwise rotation of the rotor 4 ' . The permanent magnet segments 5 ' on the rotor are two-pole and each have an S pole 10 and an N pole 11 , where the S pole 10 each corresponds to a width of the stator teeth, and the N pole 11 each one width of a stator tooth plus one width of a stator slot opening 7th corresponds to, or a respective S-pole 10 has a width of a stator tooth plus a width of a stator slot opening 7th and a respective width of the N poles corresponds to a width of a stator tooth. Between the permanent magnet segments 5 ' is always a space 12th or a rotor tooth is present, the gap 12th or the rotor tooth each one width of a stator slot opening 7th corresponds.
The pole fields 10 and 11 can also consist of individual permanent magnets.
The wider pole fields are used for clockwise rotation of the rotor 11 to the right of the gap 12th , and for a counter-clockwise rotation of the rotor are the more prepared pole fields 11 to the left of the space 12th , and thus in relation to the direction of rotation of the rotor.
According to one version of the electric motor 1 , the rotor has a high cogging torque and a high waviness of the rotor steps.
So that a detent torque of the rotor is reduced and a detent position is optimal for starting the electric motor, unequipped stator teeth are arranged between the equipped stator teeth.

2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein Rastmoment des Läufers deutlich reduziert ist. 2 shows an embodiment in which a cogging torque of the rotor is significantly reduced.

Am Ständer 13 sind vier bestückte Ständerzähne 14 angeordnet, und Spulen 15 des Wicklungsstranges A umschlingen jeweils einen Ständerzahn 14, und am Läufer 16 sind zwei Permanentmagnet-Segmente 17 angeordnet. Zwischen den bestückten Ständerzähnen 14 ist jeweils ein unbestückter Ständerzahn 18 angeordnet und zwischen den Permanentmagnet-Segmenten 17 ist jeweils ein nicht mit einem Magnetfeld beaufschlagter Läuferzahn 19 angeordnet.
Die Permanentmagnet-Segmente 17 sind dreipolig ausgebildet, wobei eine Breite des einen Polfeldes 20 einer Breite eines Ständerzahns entspricht und jeweils mit einem S Pol oder mit einem N Pol magnetisiert ist, und das andere Polfeld weist zwei gleichnamige Polfelder auf, wobei das eine Polfeld 21 einer Breite eines bestückten Ständerzahns entspricht und das andere Polfeld 21' einer Breite eines unbestückten Ständerzahns plus eine Weite von zwei Ständernutöffnungen entspricht. Die Polfelder der Permanentmagnet-Segmente 17 besitzen ungleichnamige Polfelder zueinander, wobei die Polfelder 20,21 jeweils an den Läuferzähnen 19 liegen und das Polfeld 21' jeweils zwischen den Polfeldern 20,21 liegt. On the stand 13 are four assembled stator teeth 14th arranged, and coils 15th of the winding phase A each loop around a stator tooth 14th , and on the runner 16 are two permanent magnet segments 17th arranged. Between the assembled stand teeth 14th is an unequipped stator tooth 18th arranged and between the permanent magnet segments 17th is one not with a magnetic field applied rotor tooth 19th arranged.
The permanent magnet segments 17th are designed with three poles, with a width of one pole field 20th corresponds to a width of a stator tooth and is magnetized in each case with an S pole or an N pole, and the other pole field has two pole fields of the same name, one pole field 21st corresponds to a width of an equipped stator tooth and the other pole field 21 ' corresponds to a width of an unequipped stator tooth plus a width of two stator slot openings. The pole fields of the permanent magnet segments 17th have opposite pole fields to each other, whereby the pole fields 20.21 each on the rotor teeth 19th lie and the pole field 21 ' each between the pole fields 20.21 lies.

2 zeigt eine Läuferstellung am Anfang eines jeweiligen Läuferschrittes, und diese Läuferstellung ist auch ein Ende eines jeweiligen Läuferschrittes, wobei dann jeweils ungleichnamige Polfelder sich am Luftspalt gegenüber stehen und der Wicklungsstrang für einen nächsten Läuferschritt umgepolt wird. 2 shows a rotor position at the beginning of a respective rotor step, and this rotor position is also an end of a respective rotor step, with unlike pole fields then facing each other at the air gap and the winding phase is reversed for the next rotor step.

2a zeigt eine Läuferstellung, wo ein Läuferschritt halb beendet ist. Während eines Motorbetriebes erfolgt eine Umpolung des Wicklungsstranges mindestens 1° vor einer genauen Gegenüberstehung von Permanentmagnetfeldern und Ständerzähnen. 2a shows a runner position where a runner step is half finished. During motor operation, the winding phase is reversed at least 1 ° before permanent magnetic fields and stator teeth are exactly opposite.

Eine Anzahl von Ständerzähnen und eine Anzahl von Permanentmagnetfeldern am Läufer kann unbeschränkt gewählt werden.
In den Figuren sind lediglich Ausführungsbeispiele dargestellt, die unabhängig von einer Gestaltung eines Ständers und eines Läufers sein sollen. Der erfindungsgemä-ße Elektromotor kann sowohl als Innenläufer als auch als Außenläufer ausgebildet sein.An unlimited number of stator teeth and a number of permanent magnetic fields on the rotor can be selected.
In the figures, only exemplary embodiments are shown, which are intended to be independent of a design of a stator and a rotor. The electric motor according to the invention can be designed both as an internal rotor and as an external rotor.

Eine sichere Lageerkennung der Läuferstellung zum Ständer wird vorzugsweise mit einer Winkelerfassungseinrichtung durchgeführt. Diese Einrichtung ermittelt die Läuferstellung zum Ständer in Grad, und gibt diese Daten an einen Controller der Steuerelektronik, und die Einrichtung zur Ermittlung des Gradwinkels ist vorzugsweise ein dem Elektromotor und der Steuerelektronik zugeordneter Drehwinkelgeber.A reliable detection of the position of the rotor relative to the stator is preferably carried out with an angle detection device. This device determines the rotor position relative to the stator in degrees and sends this data to a controller of the control electronics, and the device for determining the angle is preferably a rotary encoder assigned to the electric motor and the control electronics.

In 3 ist eine solche Einrichtung schematisch dargestellt. Am Ende einer Welle 20 des Elektromotors 21 befindet sich ein Permanentmagnet 22 mit einer diametralen Magnetisierung, dem ein Drehwinkelgeber IC 23 zur Ermittlung des Gradwinkels zugeordnet ist, und der Drehwinkelgeber 24 ist vorzugsweise von außen an ein Lagerschild des Elektromotors angeordnet, wobei der Permanentmagnet 22 auf ein nicht magnetisierbares Wellenende oder an eine Halterung 25 aus nicht magnetisierbarem Material am Wellenende befestigt ist, und der Permanentmagnet mit der Halterung durch das Lagerschild 26 geführt ist.
Das Drehwinkelgeber IC 23 ist vorzugsweise auf eine flexible Leiterplatte 27 angeordnet, wobei die flexible Leiterplatte am Boden einer Abdeckkappe 28 befestigt ist, und die flexible Leiterplatte ist vorteilhaft mit Steckanschlüssen 29 ausgebildet, die aus der Abdeckkappe rausgeführt sind, und die Abdeckkappe wird staubdicht an das Lagerschild des Elektromotors befestigt.
Bei Inbetriebnahme des Elektromotors ermittelt der Drehwinkelgeber den Gradwinkel der Läuferstellung zum Ständer, wobei für den betreffenden Läuferschritt die hierfür zuständigen Transistoren von Halbbrücken angesteuert werden, und nach dem Beenden des Läuferschrittes werden die nächstfolgenden Läuferschritte eingeleitet.In 3 such a device is shown schematically. At the end of a wave 20th of the electric motor 21st there is a permanent magnet 22nd with a diametrical magnetization to which a rotary encoder IC 23 is assigned to determine the degree angle, and the rotary encoder 24 is preferably arranged from the outside on a bearing plate of the electric motor, the permanent magnet 22nd on a non-magnetizable shaft end or on a bracket 25th made of non-magnetizable material is attached to the shaft end, and the permanent magnet with the bracket through the end shield 26th is led.
The rotary encoder IC 23 is preferably on a flexible circuit board 27 arranged, wherein the flexible circuit board at the bottom of a cover cap 28 is attached, and the flexible circuit board is advantageous with plug connectors 29 formed, which are led out of the cap, and the cap is attached dust-tight to the end shield of the electric motor.
When the electric motor is started up, the rotary encoder determines the degree angle of the rotor position to the stator, the transistors responsible for this being controlled by half bridges for the rotor step in question, and the next rotor steps are initiated after the rotor step has ended.

Bei zunehmender Drehzahl des Elektromotors wird der Läufer in seiner Drehbewegung stetig schneller wie ein Aufbau eines Ständerfeldes für einen jeweiligen geschalteten Läuferschritt, dieser Zeitverzug wird einerseits durch den Elektromotor selbst verursacht und andererseits durch die Steuerelektronik, so daß ab einer bestimmten Drehzahl der Läufer in seiner Drehbewegung gebremst wird.
Damit der Elektromotor bis hin zu einer hohen Drehzahl variabel betrieben werden kann, und ein maximaler Wirkungsgrad bei jeder Drehzahl erreicht wird ist es erforderlich, daß der Einschaltzeitpunkt der Wicklungsstränge für die Läuferschritte bei zunehmender und abnehmender Drehzahl des Läufers, stetig vorverlegt oder zurückverlegt wird.
Ein Zurückverlegen und Vorverlegen des Einschaltzeitpunktes für die Wicklungsstränge zur Bestimmung von Läuferschritten erfolgt während eines Motorbetriebes oder eines Bremsbetriebes mit einem Programm des Controllers der Steuerelektronik.
Der zuvor beschriebene Drehwinkelgeber ermittelt jeweils den Gradwinkel der Läuferstellung zum Ständer und sendet den jeweiligen Gradwinkel zum Controller einer Steuerelektronik, oder der Controller ruft den jeweiligen Gradwinkel vom Drehwinkelgeber ab.
Zur Festlegung von Gradwinkeln zur Bestimmung von Läuferschritten muß der Drehwinkelgeber kalibriert werden, damit der Permanentmagnet 22 an der Welle 20 des Läufers und das Drehwinkelgeber-IC 23, zentriert zur Welle des Läufers, beliebig zueinander angeordnet werden kann.
Ein Programm des Controllers der Steuerelektronik ermittelt aus der Null-Grad-Stellung des Läufers einen Einschaltzeitpunkt der Wicklungsstränge für die Läuferschritte. Eine ermittelte Läuferstellung bei einer ausgerichteten Läuferstellung kann auch mit einer anderen Gradzahl wie mit Null-Grad festgelegt werden.As the speed of the electric motor increases, the rotor's rotary motion becomes steadily faster, like the build-up of a stator field for a respective switched rotor step, this time delay is caused on the one hand by the electric motor itself and on the other hand by the control electronics, so that from a certain speed the rotor starts rotating is braked.
So that the electric motor can be operated variably up to a high speed, and maximum efficiency is achieved at every speed, it is necessary that the switch-on time of the winding phases for the rotor steps is continuously brought forward or backward with increasing and decreasing speed of the rotor.
The switch-on time for the winding phases to determine rotor steps is relocated back and forwarded during motor operation or braking operation with a program of the controller of the control electronics.
The rotary encoder described above determines the degree angle of the rotor position to the stator and sends the respective degree angle to the controller of a control electronics, or the controller retrieves the respective degree angle from the rotary encoder.
To define degree angles for determining rotor steps, the rotary encoder must be calibrated so that the permanent magnet 22nd on the shaft 20th of the rotor and the rotary encoder IC 23 , centered on the shaft of the rotor, can be arranged with respect to one another as desired.
A program of the controller of the control electronics determines from the zero degree position of the rotor a switch-on time of the winding phases for the rotor steps. A rotor position determined with an aligned rotor position can also be specified with a different number of degrees than with zero degrees.

Der Drehwinkelgeber ermittelt den Gradwinkel vorzugsweise in Einergradschritten, und das Programm des Controllers legt den Einschaltzeitpunkt für die Wicklungsstränge zur Bestimmung von Läuferschritten in Gradwinkel fest, und der Einschaltzeitpunkt wird vorzugsweise in Einergradschritten bei ansteigender und/oder abfallender Drehzahl, bezogen auf eine Null-Grad-Stellung des Läufers entsprechend vor- und/oder zurückverlegt, wobei eine Vorverlegung und/oder Zurückverlegung des Einschaltzeitpunktes für die Wicklungsstränge auch in weniger oder in mehr wie in Einergradschritten erfolgen kann, und somit die Ausgabe der Gradwinkel des Drehwinkelgebers größer oder kleiner wie Einergradschritte sein kann.The rotary encoder determines the degree angle, preferably in steps of one degree, and that The controller program specifies the switch-on time for the winding phases to determine rotor steps in degree angles, and the switch-on time is preferably moved forward and / or backwards in steps of one degree with increasing and / or decreasing speed, based on a zero-degree position of the rotor, where the switch-on time for the winding phases can also be moved forward and / or moved back in fewer or more steps, such as in steps of one degree, and thus the output of the degree angle of the rotary encoder can be larger or smaller than steps of one degree.

Für eine Einstellung einer variablen einstellbaren Drehzahl wird die Drehzahl des Läufers vorzugsweise mit dem Drehwinkelgeber ermittelt, und eine variable einstellbare Drehzahl wird mit dem Drehwinkelgeber über eine Zeiterfassung durchgeführt.
Die gewünschte Drehzahl wird entsprechend vorgegeben, und das Programm des Controllers der Steuerelektronik ermittelt über den Drehwinkelgeber eine vorhandene Drehzahl und vergleicht diese mit einer vorgegebenen Drehzahl. Bei Abweichung von der Solldrehzahl werden Transistoren von Halbbrücken oder Vollbrücken entsprechend über eine Pulsweitenmodulation angesteuert.
Variable Drehzahlen werden üblicherweise mit einem Potentiometer eingestellt, indem mit dem Potentiometer die Pulsweite vorgegeben wird. Mit dem Potentiometer soll hier vorzugsweise Solldrehzahlen vorgegeben werden.For setting a variable, adjustable speed, the speed of the rotor is preferably determined with the rotary encoder, and a variable adjustable speed is carried out with the rotary encoder via time recording.
The desired speed is specified accordingly, and the program of the controller of the control electronics determines an existing speed via the rotary encoder and compares this with a specified speed. If there is a deviation from the target speed, transistors of half bridges or full bridges are controlled accordingly via pulse width modulation.
Variable speeds are usually set with a potentiometer by specifying the pulse width with the potentiometer. The potentiometer should preferably be used to specify target speeds.

Zur Anlegung des Wicklungsstranges an eine Stromquelle ist dem Elektromotor eine entsprechende Schaltungsanordnung zugeordnet.A corresponding circuit arrangement is assigned to the electric motor in order to apply the winding phase to a current source.

4 zeigt eine Vollbrücke 30, in der ein Wicklungsstrang angeordnet ist, und der Vollbrücke ist eine Steuerelektronik 31 zugeordnet, und der Steuerelektronik ist dem Drehwinkelgeber 24 zugeordnet. Mit Vollbrücken ist jede Schaltversion für einen Wicklungsstrang durchführbar.
Zur Erkennung der Läuferstellung zum Ständer können auch andere bekannte Einrichtungen zur Anwendung kommen, oder der Elektromotor wird sensorlos gefahren. 4th shows a full bridge 30th , in which a winding phase is arranged, and the full bridge is control electronics 31 assigned, and the control electronics is the rotary encoder 24 assigned. With full bridges, every switching version can be implemented for one winding phase.
Other known devices can also be used to detect the rotor position relative to the stator, or the electric motor is driven without sensors.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 102012205421 A1 [0003]
DE 102006004313 A1 [0004]

Claims

Electronically commutated electric motor, with a stator with stator teeth and with a winding strand with coils, the coils each looping around a stator tooth, and with a rotor with permanent magnetic pole fields, each stator tooth being assigned a permanent magnetic field of the rotor, and with a circuit arrangement with control electronics, in which - Permanent magnet segments (17) are arranged on the rotor (16), wherein - The permanent magnet segments (17) are three-pole (N, N, S or S, S, N), wherein - a width of one pole field (20) of a respective permanent magnet segment corresponds to a width of an equipped stator tooth, and a width of the other pole field with two pole springs of the same name, which corresponds to a pole field (21) corresponds to the width of an equipped stator tooth, and the other pole field ( 21 ') corresponds to a width of an unequipped stator tooth (18) plus a width of two stator slot openings, wherein - A rotor tooth (19) which is not acted upon by a magnetic field is arranged between the permanent magnet segments, wherein - the pole fields (20,21) lie on the rotor teeth and the pole field (21 ') lies between the pole fields (20,21).

Electronically commutated electric motor, with a stator with stator teeth and with a winding strand with coils, the coils each looping around a stator tooth, and with a rotor with permanent magnetic pole fields, each stator tooth being assigned a permanent magnetic field of the rotor, and with a circuit arrangement with control electronics, in which - An air gap (8) is kept symmetrical, wherein - Permanent magnet segments (5 ') with an S pole (10) and an N pole (11) are arranged on the rotor, wherein - A width of the one magnetic pole (10) corresponds to a width of a stator tooth, and - A width of the other magnetic pole (11) corresponds to a width of a stator tooth plus a width of a stator slot opening (7), wherein - In each case an intermediate space (12) is arranged between the permanent magnet segments (5 '), wherein - The gap (12) corresponds to a width of a stator slot opening (7).

Electronically commutated electric motor Claim 1 and 2 , the polarity of the winding strand being reversed during motor operation at least 1 ° before an exact juxtaposition of dissimilar permanent magnetic fields and stator teeth.

Electronically commutated electric motor Claim 2 , in relation to a direction of rotation of the rotor, for a clockwise rotation of the rotor, the wider pole fields are to the right of the rotor teeth or spaces (12), and for a left rotation of the rotor the wider pole fields are to the left of the rotor teeth or spaces (12), with the pole fields of the permanent magnet segments can also consist of individual permanent magnets.

Electronically commutated electric motor Claim 1 to 4th , whereby a stator has at least two stator teeth and a runner at least two permanent magnetic fields, with a higher number of equipped stator teeth and a higher number of permanent magnetic fields on the runner being unlimited if this number is divisible by two and has a ratio of 1 to 1 , and the electric motor can be designed as an internal rotor as well as an external rotor

Electronically commutated electric motor Claim 1 to 5 , wherein a respective field strength on the stator teeth corresponds to at least one field strength of permanent magnetic fields on the rotor, and a field strength on the stator teeth and a field strength of permanent magnetic fields on the rotor together up to iron saturation of the stator.

Electronically commutated electric motor Claim 1 to 6th , wherein the electronically commutated electric motor is assigned an angle detection device, and this device determines a rotor position to the stator in degrees, and transmits this data to a controller of the control electronics (31), and the device for determining the angle is assigned to the electric motor and the control electronics Rotary encoder (24).

Electronically commutated electric motor Claim 7 , wherein the speed of the electric motor is determined with the rotary encoder for setting a variable adjustable speed, and a variable adjustable speed is carried out with the rotary encoder via time recording.

Electronically commutated electric motor Claim 7 and 8th , wherein a switch-on time of the winding phase for rotor steps is determined with the rotary encoder, and a switch-on time for the winding phase is moved back and forward with a program of the controller of the control electronics.

Electronically commutated electric motor Claim 1 to 9 , whereby to overcome the Detent torque of the rotor, an ignition angle for the winding phase is brought forward.