-
GEBIET DER ERFINDUNG
-
Die Erfindung betrifft eine Antriebsschaltung für einen Motor und insbesondere eine integrierte Schaltung, die zum Treiben eines einphasigen Permanentmagnet-Synchronmotors verwendet wird.
-
HINTERGRUND
-
Beim Starten eines Synchronmotors erzeugt ein Elektromagnet eines Stators ein alternierendes Magnetfeld, das äquivalent ist zu einem synthetischen Magnetfeld eines vorwärts rotierenden Magnetfeldes und eines rückwärts rotierenden Magnetfeldes. Das alternierende Magnetfeld schleppt einen Permanentmagnet-Rotor, so dass dieser mit einer Auslenkung oszilliert. Schließlich wird die Drehung des Rotors in einer Richtung rasch beschleunigt, so dass sie mit dem alternierenden Magnetfeld des Stators synchronisiert wird, wenn die Oszillationsamplitude des Rotors größer wird. Um sicherzustellen, dass ein üblicher Synchronmotor anläuft, wird das Anlaufmoment des Motors generell groß bemessen, weshalb der Motor an einem Arbeitspunkt mit geringer Effizienz arbeitet. Außerdem kann nicht gewährleistet werden, dass der Rotor jedes Mal in derselben Richtung anläuft, da bei der anfänglichen Erregung eine Stopp-Position des Permanentmagnet-Rotors und eine Polarität eines Wechselstroms (AC) nicht festgelegt sind. Dementsprechend hat ein Laufrad, das durch den Rotor angetrieben wird, bei Anwendungen wie einem Gebläse oder einer Wasserpumpe generell gerade radiale Flügel mit einem geringen Wirkungsgrad, was dazu führt, dass auch die Leistungsfähigkeit des Gebläses und der Wasserpumpe gering ist.
-
ÜBERSICHT
-
Es wird eine Motoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen. Die Motoranordnung umfasst einen einphasigen Permanentmagnet-Synchronmotor und eine integrierte Schaltung, die mit Wechselstrom gespeist werden, wobei der einphasige Permanentmagnet-Synchronmotor einen Stator und einen Permanentmagnet-Rotor hat, der sich relativ zu dem Stator drehen kann, und wobei der Stator einen Statorkern und eine um den Statorkern herumgeführte Statorwicklung aufweist; wobei die integrierte Schaltung ein Gehäuse hat, eine Mehrzahl von Pins, die sich aus dem Gehäuse heraus erstrecken, und eine Antriebsschaltung, wobei die Antriebsschaltung in das Gehäuse gepackt ist und ermöglicht, dass der einphasige Permanentmagnet-Synchronmotor jedes Mal, wenn der einphasige Permanentmagnet-Synchronmotor erregt wird, in einer festen Richtung anläuft und sich dreht.
-
Vorzugsweise kann die Antriebsschaltung umfassen: einen steuerbaren bidirektionalen AC-Schalter, der mit der Statorwicklung zwischen zwei Anschlüssen der AC-Versorgung in Reihe geschaltet ist; eine Erfassungsschaltung, die für eine Erfassung der Magnetfeld-Polarität des Permanentmagnet-Rotors konfiguriert ist; und eine Schalter-Steuerschaltung, die für die Steuerung des steuerbaren bidirektionalen AC-Schalters konfiguriert ist, so dass der Schalter auf voreingestellte Weise zwischen einem Einschaltzustand und einem Ausschaltzustand geschaltet wird, basierend auf einer Polarität der AC-Versorgung und der durch die Erfassungsschaltung erfassten Magnetfeldpolarität des Permanentmagnet-Rotors.
-
Vorzugsweise kann die Schalter-Steuerschaltung derart konfiguriert sein, dass diese den steuerbaren bidirektionalen AC-Schalter aktiviert, wenn sich die AC-Versorgung in einem positiven Halbzyklus befindet und die durch die Erfassungsschaltung erfasste Magnetfeldpolarität des Rotors eine erste Polarität ist, oder wenn sich die AC-Versorgung in einem negativen Halbzyklus befindet und die durch die Erfassungsschaltung erfasste Magnetfeldpolarität des Rotors eine zur ersten Polarität entgegengesetzte zweite Polarität ist.
-
Vorzugsweise kann die Antriebsschaltung einen Gleichrichter umfassen, der konfiguriert ist für die Generierung eines Gleichstroms (DC) zumindest für die Speisung der Erfassungsschaltung.
-
Vorzugsweise kann der Gleichrichter eine Spannungsreduzierschaltung aufweisen.
-
Vorzugsweise kann der Gleichrichter mit dem steuerbaren bidirektionalen AC-Schalter parallelgeschaltet sein.
-
Vorzugsweise kann der steuerbare bidirektionale Schalter ein TRIAC sein.
-
Vorzugsweise kann die Erfassungsschaltung einen Magnetsensor umfassen. Die integrierte Schaltung kann in der Nähe des Rotors installiert sein, und der Magnetsensor ist geeignet für die Erfassung der Magnetfeldpolarität des Rotors und einer Variation der Magnetfeldpolarität.
-
Wahlweise kann die Erfassungsschaltung keinen Magnetsensor umfassen.
-
Vorzugsweise ist es möglich, dass die integrierte Schaltung keinen Mikroprozessor umfasst.
-
Vorzugsweise ist es möglich, dass die Motoranordnung keine Leiterplatte umfasst.
-
Vorzugsweise kann zwischen dem Stator und dem Permanentmagnet-Rotor ein nicht einheitlicher Magnetkreis gebildet werden, wobei die Polachse des Rotors relativ zu einer zentralen Achse des Stators einen Winkelversatz aufweist, wenn der Permanentmagnet-Rotor rastet.
-
Vorzugsweise kann der Rotor mindestens einen Permanentmagnet aufweisen. Der Läufer arbeitet mit einer konstanten Drehzahl von 60 fp U/min während einer Phase des eingeschwungenen Zustands nach der Erregung der Statorwicklung, wobei f eine Frequenz der AC-Versorgung und p die Anzahl von Polpaaren des Rotors ist.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine integrierte Schaltung für einen Motor vorgeschlagen. Die integrierte Schaltung hat ein Gehäuse, eine Mehrzahl von Pins, die sich aus dem Gehäuse heraus erstrecken, und eine Schalter-Steuerschaltung, die auf einem Halbleitersubstrat angeordnet ist, wobei das Halbleitersubstrat und die Antriebsschaltung in das Gehäuse gepackt sind, die Antriebsschaltung einen steuerbaren bidirektionalen AC-Schalter umfasst, der zwischen die beiden Pins geschaltet ist, eine Erfassungsschaltung für die Erfassung einer Magnetfeldpolarität eines Rotors des Motors konfiguriert ist und eine Schalter-Steuerschaltung für die Steuerung des steuerbaren bidirektionalen AC-Schalters konfiguriert ist, so dass dieser auf vorgegebene Weise zwischen einem Einschaltzustand und einem Ausschaltzustand schaltbar ist, basierend auf der durch die Erfassungsschaltung erfassten Magnetfeldpolarität des Läufers.
-
Vorzugsweise hat die integrierte Schaltung gegebenenfalls lediglich zwei Pins.
-
Mit der integrierten Schaltung gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann sichergestellt werden, dass jedes Mal, wenn der Motor erregt wird, der Rotor anläuft und sich in derselben Richtung dreht. Bei Anwendungen wie einem Gebläse oder einer Wasserpumpe kann ein Gebläseflügel eines durch den Rotor angetriebenen Laufrads gekrümmte Flügel aufweisen, wodurch die Effizienz des Gebläses und der Wasserpumpe verbessert wird. Darüber hinaus sind sämtliche Teile der Antriebsschaltung für den Motor in die integrierte Schaltung gepackt. Dadurch werden die Kosten der Schaltung verringert, und ihre Zuverlässigkeit wird erhöht.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
In den Zeichnungen zeigt:
-
1 einen einphasigen Permanentmagnet-Synchronmotor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
-
2 ein schematisches Schaltungsdiagramm des einphasigen Permanentmagnet-Synchronmotors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
-
3 ein Schaltungsblockdiagramm einer Implementierung der in 2 dargestellten integrierten Schaltung;
-
4 ein Schaltungsblockdiagramm einer Implementierung der in 2 dargestellten integrierten Schaltung;
-
5 eine in 2 gezeigte Schaltung des Motors gemäß einer Ausführungsform;
-
6 eine Wellenform der in 5 gezeigten Schaltung des Motors;
-
7–9 die in 2 gezeigte Schaltung des Motors gemäß weiteren Ausführungsformen;
-
10 ein schematisches Schaltungsdiagramm eines einphasigen Permanentmagnet-Synchronmotors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
-
11 ein Schaltungsblockdiagramm einer Implementierung der in 10 gezeigten Schaltung;
-
12 ein schematisches Schaltungsdiagramm eines einphasigen Permanentmagnet-Synchronmotors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
-
13 eine den Motor verwendende Pumpe;
-
14 ein den Motor verwendendes Gebläse.
-
DETAILBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Nachstehend werden bestimmte Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben, wobei auf die anliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird, um die technischen Lösungen und vorteilhaften Wirkungen der Erfindung zu veranschaulichen. Es versteht sich, dass die Zeichnungen lediglich Darstellungszwecken dienen und nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen sind. Die in den Zeichnungen dargestellten Dimensionen dienen ebenfalls nur Darstellungszwecken und geben keine proportionale Beziehung an.
-
1 zeigt einen einphasigen Permanentmagnet-Synchronmotor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Synchronmotor 10 hat einen Stator und einen Rotor 11, der sich relativ zu dem Stator drehen kann. Der Stator hat einen Statorkern 12 und eine Statorwicklung 16, die um den Statorkern 12 herumgeführt ist. Der Statorkern kann aus weichmagnetischen Materialen wie Reineisen, Gusseisen, Stahlguss, Elektrostahl oder Siliziumstahl bestehen. Der Rotor 11 hat einen Permanentmagnet und arbeitet in der Phase eines eingeschwungenen Zustands mit einer konstanten Drehzahl von 60 fp U/min, wenn die Statorwicklung 16 mit einer AC-Versorgung in Reihe geschaltet ist, wobei f eine Frequenz der AC-Versorgung und p die Anzahl von Polpaaren des Rotors ist. In der Ausführungsform hat der Statorkern 12 zwei Pole 14, die einander entgegengesetzt sind. Jeder Pol 14 hat einen Polbogen 15, wobei eine Außenfläche des Rotors 11 dem Polbogen 15 gegenüberliegt und zwischen der Außenfläche des Rotors 11 und dem Polbogen 15 ein im Wesentlichen einheitlicher Luftspalt gebildet ist. Der Begriff "im Wesentlichen einheitlicher Luftspalt" gemäß vorliegender Beschreibung bedeutet, dass der Luftspalt in einem Großteil des Raums zwischen dem Stator und dem Rotor einheitlich ist. Vorzugsweise kann eine konkave Anlaufnut 17 in dem Polbogen 15 des Pols des Stators vorgesehen sein, und anstelle der Anlaufnut 17 kann ein Teil des Polbogens zu dem Rotor konzentrisch sein. Mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration kann ein nicht einheitliches Magnetfeld gebildet werden, wobei eine Polachse S1 des Rotors einen Neigungswinkel relativ zu einer zentralen Achse S2 des Pols 14 des Stators aufweist, wenn der Rotor rastet (wie in 1 gezeigt), und wobei der Rotor immer dann, wenn der Motor unter der Wirkung der Antriebsschaltung erregt wird, über ein Anlaufmoment verfügen kann. Insbesondere bezieht sich die "Polachse S1 des Rotors" auf eine Grenze zwischen zwei Magnetpolen unterschiedlicher Polarität, und die "zentrale Achse S2 des Pols 14 des Stators" bezieht sich auf eine Verbindungslinie, die durch zentrale Punkte der beiden Pole 14 des Stators verläuft. In der Ausführungsform hat sowohl der Stator als auch der Rotor zwei Magnetpole. Es versteht sich, dass die Anzahl der Magnetpole des Stators nicht gleich der Anzahl der Magnetpole des Rotors entsprechen muss und dass der Stator und der Rotor in anderen Ausführungsformen beispielsweise vier oder sechs Magnetpole aufweisen können.
-
2 zeigt ein schematisches Schaltungsdiagramm eines einphasigen Permanentmagnet-Synchronmotors 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Statorwicklung 16 des Motors und der integrierten Schaltung 18 sind über zwei Anschlüsse der AC-Versorgung 24 in Reihe geschaltet. Die Antriebsschaltung für den Motor ist in die integrierte Schaltung 18 integriert und ermöglicht, dass der Motor jedes Mal, wenn er erregt wird, in einer festgelegten Richtung anläuft.
-
3 zeigt eine mögliche Implementierung der integrierten Schaltung 18. Die integrierte Schaltung hat ein Gehäuse 19, zwei Pins 21, die sich aus dem Gehäuse 19 heraus erstrecken, und eine Antriebsschaltung, die in das Gehäuse 19 gepackt ist. Die Antriebsschaltung ist auf einem Halbeitersubstrat angeordnet und umfasst eine Erfassungsschaltung 20 zum Erfassen einer Magnetfeldpolarität eines Rotors des Motors, einen steuerbaren bidirektionalen AC-Schalter 26, der zwischen die beiden Pins 21 geschaltet ist, und eine Schalter-Steuerschaltung 30, die für die Steuerung des steuerbaren bidirektionalen AC-Schalters 30 konfiguriert ist, so dass dieser auf vorgegebene Weise zwischen einem Einschaltzustand und einem Ausschaltzustand geschaltet werden kann, basierend auf der Magnetfeldpolarität des Rotors, die durch die Erfassungsschaltung 20 erfasst wurde.
-
Vorzugsweise ist die Schalter-Steuerschaltung 30 derart konfiguriert, dass diese den steuerbaren bidirektionalen AC-Schalter 26 aktiviert, wenn sich die AC-Versorgung 24 in einem positiven Halbzyklus befindet und wenn durch die Erfassungsschaltung 20 erfasst wird, dass die Magnetfeldpolarität des Rotors eine erste Polarität ist, oder wenn sich die AC-Versorgung 24 in einem negativen Halbzyklus befindet und wenn durch die Erfassungsschaltung 20 erfasst wird, dass die Magnetfeldpolarität des Rotors eine zur ersten Polarität entgegengesetzte zweite Polarität ist. Die Konfiguration ermöglicht, dass die Statorwicklung 16 den Rotor in der Anlaufphase des Motors nur in einer festgelegten Richtung schleppt.
-
4 zeigt eine mögliche Implementierung der integrierten Schaltung 18. 4 unterscheidet sich von 3 dadurch, dass die integrierte Schaltung, die in 4 gezeigt ist, ferner einen Gleichrichter 28 umfasst, der zwischen den beiden Pins 21 mit dem steuerbaren bidirektionalen AC-Schalter 26 parallelgeschaltet ist und Gleichstrom für die Versorgung der Erfassungsschaltung 20 erzeugen kann. In der Ausführungsform kann die Erfassungsschaltung 20 vorzugsweise ein Magnetsensor (der auch als Positionssensor bezeichnet werden kann) sein, und die integrierte Schaltung ist in der Nähe des Rotors installiert, so dass der Magnetsensor eine Magnetfeldvariation des Rotors erfassen kann. Es versteht sich, dass die Erfassungsschaltung 20 gegebenenfalls keinen Magnetsensor enthält und dass die Magnetfeldvariation des Rotors in anderen Ausführungsformen auf andere Weise erfasst wird. In der Ausführungsform gemäß vorliegender Erfindung ist die Antriebsschaltung für den Motor in die integrierte Schaltung gepackt. Dadurch können die Kosten der Schaltung reduziert werden, und die Zuverlässigkeit der Schaltung kann verbessert werden. Ferner hat der Motor gegebenenfalls keine Leiterplatte, und es genügt, die integrierte Schaltung in einer geeigneten Position zu befestigten und über Leitungsdrähte mit einer Leitungsgruppe und einer Stromversorgung des Motors zu verbinden.
-
In der Ausführungsform gemäß vorliegender Erfindung sind die Statorwicklung 16 und die AC-Versorgung 24 zwischen zwei Knoten A und B in Reihe geschaltet. Vorzugsweise kann die AC-Versorgung 24 eine kommerzielle AC-Versorgung mit einer festen Frequenz von beispielsweise 50 Hz oder 60 Hz und mit einer Versorgungsspannung von beispielsweise 110 V, 220 V oder 230 V sein. Der steuerbare bidirektionale AC-Schalter 26 und die Statorwicklung 16 und die AC-Versorgung 24, die in Reihe geschaltet, sind zwischen den Knoten A und B parallelgeschaltet. Vorzugsweise kann der steuerbare bidirektionale Schalter 26 ein TRIoden-AC-Halbleiterschalter (TRIAC) mit zwei Anoden sein, die jeweils mit den beiden Pins 21 verbunden sind. Es versteht sich, dass der steuerbare bidirektionale AC-Schalter 26 zwei unidirektionale Thyristoren aufweisen kann, die antiparallelgeschaltet sind, und die betreffende Steuerschaltung kann zum Steuern der beiden Thyristoren auf vorgegebene Weise angeordnet sein. Der Gleichrichter 28 und der steuerbare bidirektionale AC-Schalter 26 sind zwischen den beiden Pins 21 parallelgeschaltet. Ein Wechselstrom zwischen den beiden Pins 21 wird durch den Gleichrichter 28 in einen Niederspannungs-Gleichstrom konvertiert. Die Erfassungsschaltung 20 kann mit dem Niederspannungs-Gleichstrom gespeist werden, der von dem Gleichrichter 28 ausgegeben wird, und kann konfiguriert sein für die Erfassung der Magnetpolposition des Permanentmagnet-Rotors 11 des Synchronmotors 10 und für die Ausgabe eines entsprechenden Signals. Eine Schalter-Steuerschaltung 30 ist mit dem Gleichrichter 28, der Erfassungsschaltung 20 und dem steuerbaren bidirektionalen AC-Schalter 26 verbunden und ist konfiguriert für die Steuerung des steuerbaren bidirektionalen AC-Schalters 26, so dass dieser auf vorgegebene Weise zwischen einem Einschaltzustand und einem Ausschaltzustand geschaltet wird, basierend auf der Magnetpolposition des Permanentmagnet-Rotors, die durch die Erfassungsschaltung 20 erfasst wird, und basierend auf der Polarität der AC-Versorgung 24, die von dem Gleichrichter 28 bezogen wird, so dass die Statorwicklung 16 den Rotor 14 derart schleppt, dass sich der Rotor in der Anlaufphase des Motors nur in der vorgenannten festgelegten Anlaufrichtung dreht. Gemäß vorliegender Beschreibung sind im Einschaltzustand des steuerbaren bidirektionalen AC-Schalters 26 die beiden Pins 21 kurzgeschlossen und der Gleichrichter 28 verbraucht keine elektrische Energie, weil kein Strom durch den Gleichrichter 28 fließt. Dadurch lässt sich die Nutzungseffizienz der elektrischen Energie deutlich verbessern.
-
5 zeigt eine in 2 dargestellte Schaltung des Motors gemäß einer Ausführungsform. Die Statorwicklung 16 des Motors ist mit der AC-Versorgung 24 zwischen den beiden Pins 21 der integrierten Schaltung 18 in Reihe geschaltet. Die beiden Knoten A und B sind jeweils mit den beiden Pins 21 verbunden. Eine erste Anode T2 des TRIAC 26 ist mit dem Knoten A und eine zweite Anode T1 des TRIAC 26 mit dem Knoten B verbunden. Der Gleichrichter 28 ist mit dem TRIAC 26 zwischen den beiden Knoten A und B parallelgeschaltet. Ein Wechselstrom zwischen den beiden Knoten A und B wird durch den Gleichrichter 28 in einen Niederspannungs-Gleichstrom konvertiert (vorzugsweise reicht die Spannung von 3 V bis 18 V). Der Gleichrichter 28 hat eine erste Zenerdiode Z1 und eine zweite Zenerdiode Z2, die zwischen den beiden Knoten A und B jeweils über einen ersten Widerstand R1 und einen zweiten Widerstand antiparallel geschaltet sind. Ein Hochspannungs-Ausgangsanschluss C des Gleichrichters 28 ist an einem Verbindungspunkt des ersten Widerstands R1 und einer Kathode der ersten Zenerdiode Z1 gebildet, und ein Niederspannungs-Ausgangsanschluss D des Gleichrichters 28 ist an einem Verbindungspunkt des zweiten Widerstands R2 und einer Anode der zweiten Zenerdiode Z2 gebildet. Der Spannungs-Ausgangsanschluss C ist mit einem positiven Stromversorgungsanschluss des Positionssensors 20 und der Spannungs-Ausgangsanschluss D mit einem negativen Stromversorgungsanschluss des Positionssensors 20 verbunden. Drei Anschlüsse der Schalter-Steuerschaltung 30 sind jeweils mit dem Hochspannungs-Ausgangsanschluss C des Gleichrichters 28, einem Ausgangsanschluss H1 des Positionssensors 20 und einer Steuerelektrode G des TRIAC 26 verbunden. Die Schalter-Steuerschaltung 30 umfasst einen dritten Widerstand R3, eine fünfte Diode D5 und einen vierten Widerstand R4 und eine sechste Diode D6, die zwischen dem Ausgangsanschluss H1 des Positionssensors 20 und der Steuerelektrode G des steuerbaren bidirektionalen AC-Schalters 26 in Reihe geschaltet sind. Eine Anode der sechsten Diode D2 ist mit der Steuerelektrode G des steuerbaren bidirektionalen AC-Schalters 26 verbunden. Ein Anschluss des dritten Widerstands R3 ist mit dem Hochspannungs-Ausgangsanschluss C des Gleichrichters 28 und der andere Anschluss des dritten Widerstands R3 mit einer Anode der fünften Diode D5 verbunden. Eine Kathode der fünften Diode D5 ist mit der Steuerelektrode G des steuerbaren bidirektionalen AC-Schalters 26 verbunden.
-
In Verbindung mit 6 wird ein Funktionsprinzip der vorgenannten Schaltung beschrieben. In 6 kennzeichnet Vac eine Wellenform eine Wellenform der AC-Versorgung 24 und Iac eine Wellenform eine Stroms, der durch die Statorwicklung 16 fließt. Wegen des induktiven Charakters der Statorwicklung 16, eilt die Wellenform des Stroms Iac der Wellenform der Spannung Vac nach. V1 gibt eine Wellenform einer Spannung zwischen zwei Anschlüssen der Zenerdiode Z1 an, V2 gibt eine Wellenform einer Spannung zwischen zwei Anschlüssen der Zenerdiode Z2 an, Vcd gibt eine Wellenform einer Spannung zwischen zwei Ausgangsanschlüssen C und D des Gleichrichters 28 an, Ha gibt eine Wellenform einer Signalausgabe aus dem Ausgangsanschluss H1 des Positionssensors 20 an, und Hb gibt ein durch den Positionssensor 20 erfasstes Rotor-Magnetfeld an. Wenn der Positionssensor 20 normal gespeist wird, gibt der Ausgangsanschluss H1 in dieser Ausführungsform einen hohen Logikpegel aus, sofern das erfasste Rotor-Magnetfeld Nord ist, oder der Ausgangsanschluss H1 gibt einen niedrigen Logikpegel aus, sofern das erfasste Rotor-Magnetfeld Süd ist.
-
Wenn das durch den Positionssensor 20 erfasste Rotor-Magnetfeld Hb Nord ist, wird in einem ersten positiven Halbzyklus der AC-Versorgung eine Versorgungsspannung in einer Zeitspanne von t0 bis t1 allmählich erhöht, der Ausgangsanschluss H1 des Positionssensors 20 gibt einen hohen Pegel aus, und es fließt ein Strom der Reihe nach durch den Widerstand R1, den Widerstand R3, die Diode D5 und die Steuerelektrode G und die zweite Anode T1 des TRIAC 26. Der TRIAC 26 wird angeschaltet, wenn ein Ansteuerstrom, der durch die Steuerelektrode G und die zweite Anode T1 fließt, größer ist als ein Gate-Triggerstrom Ig. Sobald der TRIAC 26 angeschaltet ist, werden die beiden Knoten A und B kurzgeschlossen, ein durch die Statorwicklung 16 in dem Motor fließender Strom in dem Motor wird allmählich erhöht, bis ein großer Vorwärtsstrom durch die Statorwicklung 16 fließt, und der Rotor 16 wird zur Drehung in Uhrzeigerrichtung angesteuert, wie in 3 dargestellt. Da die beiden Knoten A und B kurzgeschlossen sind, fließt in der Zeitspanne von t1 bis t2 kein Strom durch den Gleichrichter 28. Daher verbrauchen die Widerstände R1 und R2 keine elektrische Energie, und die Ausgabe des Positionssensors 20 wird gestoppt, weil keine Versorgungsspannung anliegt. Da ein ausreichend großer Strom durch die beiden Anoden T1 und T2 des TRIAC 26 fließt (der größer ist als ein Haltestrom Ihold), bleibt der TRIAC 26 angeschaltet, wenn kein Ansteuerungsstrom durch die Steuerelektrode G und die zweite Anode T1 fließt. In einem negativen Halbzyklus der AC-Versorgung ist nach einem Zeitpunkt t3 ein durch T1 und T2 fließender Strom kleiner als der Haltestrom Ihold, der TRIAC 26 wird abgeschaltet, es beginnt Strom durch den Gleichrichter 28 zu fließen, und der Ausgangsanschluss H1 des Positionssensors 20 gibt erneut einen hohen Pegel aus. Da ein Potential an einem Punkt C niedriger ist als ein Potential an einem Punkt E, fließt kein Ansteuerungsstrom durch die Steuerelektrode G und die zweite Anode T1 des TRIAC 26, und der TRIAC 26 bleibt abgeschaltet. Da die Widerstandswerte der Widerstände R1 und R2 in dem Gleichrichter 28 wesentlich höher sind als ein Widerstand der Statorwicklung 16 in dem Motor, ist ein Strom, der aktuell durch die Statorwicklung 16 fließt, wesentlich kleiner als der Strom, der in einer Zeitspanne von t1 bis t2 durch die Statorwicklung 16 fließt, und es ist keine Antriebskraft für den Rotor 14 verfügbar. Aus diesem Grund dreht sich der Rotor aufgrund einer Trägheitswirkung in Uhrzeigerrichtung weiter. In einem zweiten positiven Halbzyklus der AC-Versorgung fließt ähnlich wie in dem ersten Halbzyklus ein Strom der Reihe nach durch den Widerstand R1, den Widerstand R3, die Diode D5 und die Steuerelektrode G und die zweite Anode T1 des TRIAC 26. Der TRIAC 26 wird erneut angeschaltet und der durch die Statorwicklung 16 fließende Strom treibt den Rotor 14 weiter zur Drehung in Uhrzeigerrichtung an. Ähnlich verbrauchen die Widerstände R1 und R2 keine elektrische Energie, da die beiden Knoten A und B kurzgeschlossen sind; in dem negativen Halbzyklus der Stromversorgung ist der durch die beiden Anoden T1 und T2 des TRIAC 26 fließende Strom kleiner als der Haltestrom Ihold, der TRIAC 26 wird erneut abgeschaltet, und der Rotor dreht sich aufgrund der Trägheitswirkung in Uhrzeigerrichtung weiter.
-
An einem Zeitpunkt t4 ändert sich das Rotor-Magnetfeld Hb, das durch den Positionssensor 20 erfasst wird, von Süd in Nord, die AC-Versorgung befindet sich im positiven Halbzyklus, und der TRIAC 26 wird angeschaltet, die beiden Knoten A und B werden kurzgeschlossen, und es fließt kein Strom durch den Gleichrichter 28. Nachdem sich die AC-Versorgung im negativen Halbzyklus befindet, wird der durch die beiden Anoden T1 und T2 des TRIAC 26 fließende Strom allmählich verringert, und der TRIAC 26 wird an dem Zeitpunkt t5 abgeschaltet. Dann fließt der Strom der Reihe nach durch die zweite Anode T1 und die Steuerelektrode G des TRIAC 26, durch die Diode D6, den Widerstand R4, den Positionssensor 20, den Widerstand R2 und die Statorwicklung 16. Da der Ansteuerungsstrom allmählich vergrößert wird, wird der TRIAC 26 an einem Zeitpunkt t6 erneut angeschaltet, die beiden Knoten A und B werden erneut kurzgeschlossen, die Widerstände R1 und R2 verbrauchen keine elektrische Energie, und die Ausgabe des Positionssensors 20 wird wegen der fehlenden Stromversorgung gestoppt. Es ist ein großer Rückstrom vorhanden, der durch die Statorwicklung 16 fließt, und der Rotor 14 wird weiter in Uhrzeigerrichtung angetrieben, da das Rotor-Magnetfeld Süd ist. In einer Zeitspanne von t5 bis t6 werden die erste Zenerdiode Z1 und die zweite Zenerdiode Z2 angeschaltet, und es liegt eine Spannungsausgabe zwischen den beiden Ausgangsanschlüssen C und D des Gleichrichters 28 vor. An einem Zeitpunkt t7 befindet sich die AC-Versorgung erneut im positiven Halbzyklus, der TRIAC 26 wird abgeschaltet, sobald der durch den TRIAC 26 fließende Strom durch Null geht, und dann wird eine Spannung der Steuerschaltung allmählich erhöht. Da die Spannung allmählich erhöht wird, beginnt ein Strom durch den Gleichrichter 28 zu fließen, der Ausgangsanschluss H1 des Positionssensors 20 gibt ein Signal mit niedrigem Pegel aus, es fließt kein Strom durch die Steuerelektrode G und die zweite Anode T1 des TRIAC 26, weshalb der TRIAC 26 abgeschaltet wird. Da der Strom, der durch die Statorwicklung 16 fließt, schwach ist, wird keine Antriebskraft für den Rotor 14 erzeugt. An einem Zeitpunkt t8 befindet sich die Stromversorgung im positiven Halbzyklus, der Positionssensor 20 gibt ein Signal mit niedrigem Pegel aus, der TRIAC 26 bleibt nach dem Nulldurchgang des Stroms abgeschaltet, und der Rotor dreht sich aufgrund von Trägheitswirkung in Uhrzeigerrichtung weiter. Erfindungsgemäß kann der Rotor beschleunigt werden, so dass er mit dem Feld des Stators synchronisiert wird, indem er eine Umdrehung macht, nachdem die Statorwicklung erregt wurde.
-
Mit der Schaltung gemäß der Ausführungsform der Erfindung kann sichergestellt werden, dass der Motor jedes Mal, wenn er erregt wird, anläuft und sich in derselben Richtung dreht. Bei Anwendungen wie einem Gebläse oder einer Wasserpumpe können ein Gebläseflügel und ein durch den Rotor angetriebenes Laufrad gekrümmt sein bzw. gekrümmte Flügel aufweisen, wodurch der Wirkungsgrad des Gebläses und der Wasserpumpe verbessert wird. Durch die Nutzung des Vorteils einer Charakteristik des TRIAC, nämlich dass der TRIAC, sobald er angeschaltet wurde, angeschaltet bleibt, obwohl kein Ansteuerungsstrom durch den TRIAC fließt, wird in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ferner vermieden, dass der Resistor R1 und der Resistor R2 in dem Gleichrichter 28 nach dem Anschalten des TRIAC immer noch elektrische Energie verbrauchen. Die Nutzungseffizienz von elektrischer Energie lässt sich daher deutlich verbessern.
-
7 zeigt die in 2 dargestellte Schaltung des Motors gemäß einer Ausführungsform. Die Statorwicklung 16 des Motors ist mit der AC-Versorgung 24 zwischen den beiden Pins 21 der integrierten Schaltung 18 in Reihe geschaltet. Die beiden Knoten A und B sind jeweils mit den beiden Pins 21 verbunden. Eine erste Anode T2 des TRIAC 26 ist mit dem Knoten A und eine zweite Anode T1 des TRIAC 26 mit dem Knoten B verbunden. Der Gleichrichter 28 ist zwischen den beiden Knoten A und B mit dem TRIAC 26 parallelgeschaltet. Ein Wechselstrom zwischen den beiden Knoten A und B wird durch den Gleichrichter 28 in einen Niederspannungs-Gleichstrom konvertiert, wobei die Niederspannung vorzugsweise in einem Bereich von 3 V bis 18 V liegt. Der Gleichrichter 28 enthält einen ersten Widerstand R1 und einen Vollwellen-Brückengleichrichter, die zwischen den beiden Knoten A und B in Reihe geschaltet sind. Der erste Widerstand R1 kann als Spannungsreduzierer verwendet werden, und der Vollwellen-Brückengleichrichter hat zwei Gleichrichterzweige, die parallelgeschaltet sind, wobei einer der beiden Gleichrichterzweige eine erste Diode D1 und eine dritte Diode 3 enthält, die antiseriell geschaltet sind, und wobei der andere der beiden Gleichrichterzweige eine zweite Zenerdiode Z2 und eine vierte Zenerdiode Z4 aufweist, die antiparallel geschaltet sind. Der Hochspannungs-Ausgangsanschluss C des Gleichrichters 28 ist an einem Verbindungspunkt einer Kathode der ersten Diode D1 und einer Kathode der dritten Diode D3 gebildet, und der Niederspannungs-Ausgangsanschluss D des Gleichrichters 28 ist an einem Verbindungspunkt einer Anode der zweiten Zenerdiode Z2 und einer Anode der vierten Zenerdiode Z4 gebildet. Der Ausgangsanschluss C ist mit einem positiven Stromversorgungsanschluss des Positionssensors 20 und der Ausgangsanschluss D mit einem negativen Stromversorgungsanschluss des Positionssensors 20 verbunden. Der Schalter-Steuerschaltkreis 30 enthält einen dritten Widerstand R3, einen vierten Widerstand R4 und eine fünfte Diode D5 und eine sechste Diode D6, die zwischen dem Ausgangsanschluss H1 des Positionssensors 20 und der Steuerelektrode G des steuerbaren bidirektionalen AC-Schalters 26 antiseriell geschaltet sind. Eine Kathode der fünften Diode D5 ist mit dem Ausgangsanschluss H1 des Positionssensors und eine Kathode der sechsten Diode D6 mit der Steuerelektrode G des steuerbaren bidirektionalen AC-Schalters verbunden. Ein Anschluss des dritten Widerstands R3 ist mit dem Hochspannungs-Ausgangsanschluss C des Gleichrichters und der andere Anschluss des dritten Widerstands R3 mit einem Verbindungspunkt einer Anode der fünften Diode D5 und einer Anode der sechsten Diode D6 verbunden. Zwei Anschlüsse des vierten Widerstands R4 sind jeweils mit einer Kathode der fünften Diode D5 und einer Kathode der sechsten Diode D6 verbunden.
-
8 zeigt die in 2 dargestellte Schaltung des Motors gemäß einer Ausführungsform. Die Ausführungsform unterscheidet sich von der vorhergehenden Ausführungsform dadurch, dass die Zenerdioden Z2 und Z4 in 7 bei dem Gleichrichter in 8 durch allgemeine Dioden D2 und D4 ersetzt sind. Außerdem wird eine Zenerdiode Z7 als Spannungsregler verwendet, der zwischen die beiden Ausgangsanschlüsse C und D des Gleichrichters in 8 geschaltet ist.
-
9 zeigt die in 2 dargestellte Schaltung des Motors in einer Ausführungsform. Die Statorwicklung 16 des Synchronmotors ist mit der AC-Versorgung 24 zwischen den beiden Pins 21 der integrierten Schaltung 18 in Reihe geschaltet. Zwei Knoten A und B sind jeweils mit den beiden Pins 21 verbunden. Eine erste Anode T2 des TRIAC 26 ist mit dem Knoten A und eine zweite Anode T des TRIAC 26 mit dem Knoten B verbunden. Der Gleichrichter 28 ist zwischen den beiden Knoten A und B mit dem TRIAC 26 parallelgeschaltet. Ein Wechselstrom zwischen den beiden Knoten A und B wird durch den Gleichrichter 28 in eine niedrige Gleichspannung konvertiert, wobei die Gleichspannung vorzugsweise in einem Bereich von 3 V bis 18 V liegt. Der Gleichrichter 28 enthält einen ersten Widerstand R1 und einen Vollwellen-Brückengleichrichter, die zwischen den beiden Knoten A und B in Reihe geschaltet sind. Der erste Widerstand R1 kann als Spannungsreduzierer verwendet werden. Der Vollwellen-Brückengleichrichter hat zwei Gleichrichterzweige, die parallelgeschaltet sind, wobei einer der beiden Gleichrichterzweige zwei siliziumgesteuerte Gleichrichter S1 und S3 aufweist, die antiseriell geschaltet sind, und wobei der andere der beiden Gleichrichterzweige eine zweite Diode D2 und eine vierte Diode D4 aufweist, die antiparallel geschaltet sind. Der Hochspannungs-Ausgangsanschluss C des Gleichrichters 28 ist an einem Verbindungspunkt einer Kathode des siliziumgesteuerten Gleichrichters S1 und einer Kathode des siliziumgesteuerten Gleichrichters S3 gebildet, und der Niederspannungs-Ausgangsanschluss D des Gleichrichters 28 ist an einem Verbindungspunkt einer Anode der zweiten Diode D2 und einer Anode der vierten Diode D4 gebildet. Der Ausgangsanschluss C ist mit einem positiven Stromversorgungsanschluss des Positionssensors 20 und der Ausgangsanschluss D mit einem negativen Stromversorgungsanschluss des Positionssensors 20 verbunden. Der Schalter-Steuerschaltkreis 30 enthält einen dritten Widerstand R3, eine NPN-Triode T6 und einen vierten Widerstand R4 und eine fünfte Diode D5, die zwischen dem Ausgangsanschluss H1 des Positionssensors 20 und der zweiten Elektrode G des steuerbaren bidirektionalen AC-Schalters 26 in Reihe geschaltet sind. Eine Kathode der fünften Diode D5 ist mit dem Ausgangsanschluss H1 des Positionssensors verbunden. Ein Anschluss des dritten Widerstands R3 ist mit dem Hochspannungs-Ausgangsanschluss C des Gleichrichters und der andere Anschluss des dritten Widerstands R3 mit dem Ausgangsanschluss H1 des Positionssensors 20 verbunden. Eine Basis der NPN-Triode T6 ist mit dem Ausgangsanschluss H1 des Positionssensors verbunden, ein Emitter der NPN-Triode T6 ist mit einer Anode der fünften Diode D5 verbunden, und ein Kollektor der PNP-Triode T6 ist mit dem Hochspannungs-Ausgangsanschluss C des Gleichrichters verbunden.
-
In dieser Ausführungsform kann eine Referenzspannung über einen Anschluss SC1 in die Kathoden der beiden siliziumgesteuerten Gleichrichter S1 und S3 eingegeben werden, und ein Steuersignal kann über einen Anschluss SC2 in die Steueranschlüsse von S1 und S3 eingegeben werden. S1 und S3 werden angeschaltet, wenn das von dem Anschluss SC2 eingegebene Steuersignal einen hohen Pegel aufweist, oder S1 und S3 werden abgeschaltet, wenn das von dem Anschluss SC2 eingegebene Steuersignal einen niedrigen Pegel aufweist. Basierend auf der Konfiguration können S1 und S3 auf vorgegebene Weise zwischen einem Einschaltzustand und einem Ausschaltzustand geschaltet werden, indem der hohe Pegel von dem Anschluss SC2 eingegeben wird, wenn die Treiberschaltung normal arbeitet. S1 und S2 werden abgeschaltet, indem das von dem Anschluss SC2 eingegebene Steuersignal von dem hohen in den niedrigen Pegel geändert wird, wenn die Treiberschaltung ausfällt. In diesem Fall werden der TRIAC 26, der Gleichrichter 28 und der Positionssensor 20 abgeschaltet, um sicherzustellen, dass sich die gesamte Schaltung in einem energielosen Zustand befindet.
-
10 zeigt ein schematisches Schaltungsdiagramm eines einphasigen Permanentmagnet-Synchronmotors 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Statorwicklung 16 des Motors ist zwischen zwei Anschlüssen der AC-Versorgung 24 mit der integrieren Schaltung 18 in Reihe geschaltet. Eine Antriebsschaltung für den Motor ist in die integrierte Schaltung 18 integriert und ermöglicht, dass der Motor immer dann, wenn er erregt wird, in einer festgelegten Richtung anläuft. In der vorliegenden Beschreibung ist die Antriebsschaltung für den Motor in die integrierte Schaltung gepackt. Dadurch können die Kosten der Schaltung gesenkt werden, und die Zuverlässigkeit der Schaltung lässt sich verbessern.
-
Erfindungsgemäß können abhängig von der tatsächlichen Anwendung der Gleichrichter, die Erfassungsschaltung, die Schaltersteuer-Schaltung und der steuerbare bidirektional AC-Schalter ganz oder teilweise in die integrierte Schaltung integriert sein. Wie beispielsweise in 3 gezeigt ist, sind nur die Erfassungsschaltung und der steuerbare bidirektionale AC-Schalter in die integrierte Schaltung integriert, während der Gleichrichter außerhalb der integrierten Schaltung angeordnet ist.
-
Wie zum Beispiel in den Ausführungsformen der 10 und 11 gezeigt ist, sind die Spannungsreduzierschaltung 32 und der steuerbare bidirektionale AC-Schalter 26 außerhalb der integrierten Schaltung angeordnet, während der Gleichrichter (der nur die Gleichrichterbrücke, jedoch nicht einen Spannungsreduzierwiderstand oder andere Spannungsreduzierkomponente enthalten kann), die Erfassungsschaltung und die Schalter-Steuerschaltung in die integrierte Schaltung integriert sind. In der Ausführungsform ist ein Niedrigenergie-Element in die integrierte Schaltung integriert, und die Spannungsreduzierschaltung 32 und der steuerbare bidirektionale AC-Schalter 26 sind als Hochleistungs-Elemente außerhalb der integrierten Schaltung angeordnet. Wie in 12 gezeigt ist, kann die Spannungsreduzierschaltung 32 in einer Ausführungsform in die integrierte Schaltung integriert sein, während der steuerbare bidirektionale AC-Schalter außerhalb der integrierten Schaltung angeordnet ist.
-
13 zeigt eine Wasserpumpe 50, die den vorstehend beschriebenen Motor verwendet. Die Wasserpumpe 50 hat ein Pumpengehäuse 54 mit einer Pumpenkammer 52, einem Einlass 56 und einem Auslass 58, die mit der Pumpenkammer in Verbindung stehen, ein Laufrad 60, das drehbar in der Pumpenkammer angeordnet ist, und eine Motoranordnung, die für den Antrieb des Laufrads konfiguriert ist. 14 zeigt ein Gebläse, das den vorstehend beschriebenen Motor verwendet. Das Gebläse hat einen Gebläseflügel 70, und der Gebläseflügel 70 wird über eine Abtriebswelle des Motors 16 direkt oder indirekt angetrieben.
-
Vorstehend wurden lediglich Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, die nicht als Einschränkung des Schutzumfangs der Erfindung zu sehen sind. Vielmehr sind Änderungen, äquivalente Substitutionen, Verbesserungen usw. möglich, ohne von dem Kern der Erfindung und von den Grundprinzipien der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel kann die erfindungsgemäße Treiberschaltung nicht nur bei einem einphasigen Permanentmagnet-Synchronmotor verwendet werden, sondern auch bei anderen Arten von Permanentmagnetmotoren, zum Beispiel einem einphasigen bürstenlosen Gleichstrommotor.
