DE19725522B4

DE19725522B4 - Elektronisch kommutierter Motor

Info

Publication number: DE19725522B4
Application number: DE19725522A
Authority: DE
Inventors: Christof Bernauer; Wolfgang Krauth
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-06-17
Filing date: 1997-06-17
Publication date: 2009-09-17
Anticipated expiration: 2017-06-18
Also published as: WO1998058443A1; KR20010013872A; TW411657B; DE19725522A1; JP2002508919A; JP4033917B2; US6329736B1

Abstract

Elektronisch kommutierter Motor mit
– einem mindestens zwei Wicklungsstränge (W1, W2) tragenden Stator (ST) mit mehreren Magnetpolen (MP1, MP2, MP3, MP4 ...) und Nuten (NT) und
– einem Rotor (R), bei dem mittels einer Positions-Erfassungseinrichtung (EF) eine definierte Positionsstellung zwischen Rotor (R) und Stator (ST) erkennbar ist,
– wobei die Magnetpole (MP1, MP2, MP3, MP4 ...) Bereiche (B1, B2, B3, B4) mit unterschiedlich hohem Luftspalt (L1, L2, L3, L4) zum Rotor (R) aufweisen, und
– wobei die Einsatz-Zeitpunkte (t1, t2) der zeitlich nacheinander erfolgenden Bestromung der Wicklungsstränge (W1, W2) und/oder die Dauer (T1, T2) der Bestromung der Wicklungsstränge (W1, W2), bezogen auf eine bestimmte Positionsstellung (to) zwischen Rotor (R) und Stator (ST), definiert vorgebbar sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass mit der Vorgabe der Einsatz-Zeitpunkte (t1, t2) und/oder der Dauer (T1, T2) der Bestromung der Wicklungsstränge (W1, W2) verschiedene Arbeitskennlinienpaare (n1, I1; n2, I2; n3, I3)...

Description

Die Erfindung betrifft einen kommutierten Motor mit einem mindestens zwei Wicklungsstränge tragenden Stator mit mehreren Magnetpolen und Nuten und einem Rotor, bei dem mittels einer Positions-Erfassungseinrichtung eine definierte Positionsstellung zwischen Rotor und Stator erkennbar ist, wobei die Magnetpole Bereiche mit unterschiedlich hohem Luftspalt zum Rotor aufweisen, und wobei die Einsatz-Zeitpunkte der zeitlich nacheinander erfolgenden Bestromung der Wicklungsstränge und/oder die Dauer der Bestromung der Wicklungsstränge, bezogen auf eine bestimmte Positionsstellung zwischen Rotor und Stator, definiert vorgebbar sind.
Ein elektronisch kommutierter Motor dieser Art ist in der US 3,873,898 A angegeben. Bei diesem bekannten elektronisch kommutierten Gleichstrommotor trägt der Stator zwei Wicklungsstränge und weist zwei Magnetpole auf. Ferner ist eine Positions-Erfassungseinrichtung vorgesehen, mit der eine Positionsstellung zwischen Rotor und Stator erkennbar ist. Die beiden Magnetpole sind so geformt, dass sie einen sich kontinuierlich ändernden Luftspalt zum Rotor ergeben. Eine zeitlich nacheinander folgende Bestromung der Wicklungsstränge ist in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit veränderlich. Hierdurch wird eine vorgegebene Geschwindigkeitseinstellung erreicht.
Die DE 44 25 193 C1 zeigt einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor mit stufenweiser oder kontinuierlicher Drehzahlverstellung durch elektronische Veränderung des Stromflusswinkels, wobei die Strangwicklung jeder einzelnen Spule des Motors Wicklungen aufweist. Dabei ist die erste Wicklung über mindestens zwei Wicklungszähne und die zweite Wicklung über einen einzigen dieser beiden Wicklungszähne in gleichem Wicklungssinn gewickelt. Die Steuerung erfasst mittels eines Schaltungsblocks Positionssignale, um daraus ein Kommutierungssummensignal zu generieren, das eine Information über den Kommutierungszeitpunkt und des Istwerts der Motordrehzahl enthält, die in die Steuerung einfließen. Diese Druckschrift weist keine Bereiche der Magnetpole mit unterschiedlich hohem Luftspalt auf und die Arbeitskennlinienpaare sind diesbezüglich nicht frei wählbar.
Bei weiteren bekannten elektronisch kommutierten Motoren dieser Art wird üblicherweise die Leistungsabstufung durch Variation der elektronischen Ansteuerung, z. B. durch Pulsweitenmodulation der Leistungsendstufe der Bestromungseinrichtung durchgeführt. Dies bedingt beim Takten der Leistungsendstufe zusätzliche elektronische Verluste und damit eine Reduzierung des Motorwirkungsgrades. Es ist auch schon versucht worden, die Leistungsabstufung durch spezielle Wicklungsvarianten zu erreichen. Dies führt jedoch zur Verteuerung bei der Herstellung des Stators.
Es ist Aufgabe der Erfindung, bei einem elektronisch kommutierten Motor der eingangs erwähnten Art mit einem einfachen Motoraufbau des Stators und einer verlustarmen Bestromung eine Leistungsabstufung bzw. Drehzahlbeeinflussung zu erreichen.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, dass mit der Vorgabe der Einsatz-Zeitpunkte und/oder der Dauer der Bestromung der Wicklungsstränge verschiedene Arbeitskennlinienpaare des Motors gezielt wählbar sind, wobei ein erstes Arbeitskennlinienpaar dadurch ausgewählt wird, dass die Bestromung dann erfolgt, wenn die höheren Luftspalte wirksam sind und ein zweites Arbeitskennlinienpaar dadurch ausgewählt wird, dass die Bestromung dann erfolgt, wenn die niedrigeren Luftspalte wirksam sind.
Mit an sich bekanntem Wicklungsaufbau kann allein durch die Ausbildung der Magnetpole am Stator und die Variation des Bestromungs-Zeitpunktes und/oder der Bestromungs-Dauer eine unterschiedliche Arbeitskennlinie erhalten und/oder ein großes Arbeitsfeld abgedeckt werden.
Nach einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Bestromung der Wicklungsstränge periodisch erfolgt, wobei die Periodendauer, die Einsatz-Zeitpunkte der Bestromung und/oder die Dauer der Bestromung und/oder der Strom die Drehzahl und/oder Leistungsabgabe des Motors bestimmt. Dabei kann für eine Bestromung über den gesamten Zeitraum vorgesehen sein, dass die Bestromug der Wicklungsstränge unmittelbar aufeinanderfolgend erfolgt, während für eine Teilbestromung die Ansteuerung der Wicklungsstränge mit einem zeitlichen Abstand zueinander vornehmbar ist.
Die Magnetpole des Stators können stufig abgesetzte Luftspalte zum Rotor bilden oder Bereiche aufweisen, in denen sich der Luftspalt zum Rotor kontinuierlich verändert.
Ist nach einer Ausgestaltung vorgesehen, daß die Nuten abwechselnd breite Magnetpole und schmale Rückflußpole abteilen, daß die Wicklungsstränge abwechselnd ineinander verschachtelte Teilwicklungen aufweisen, die jeweils nur um einen Magnetpol gewickelt sind und von Teilwicklung zu Teilwicklung den Wicklungssinn ändern oder – bei unterschiedlicher Stromrichtung – gleichsinnig gewickelt sind, dann wird ein Wicklungsaufbau erreicht, bei dem sich die Wicklungsstränge nicht überlappen. Dadurch lassen sich an den axialen Enden des Stators Wicklungsköpfe vermeiden, was die Herstellung des Stators vereinfacht und verbilligt. Außerdem beansprucht der Motor einen kleineren Raum und hat einen höheren Wirkungsgrad.
Dabei kann der Motor als Außen- oder Innenläufer ausgebildet werden. Von Vorteil ist dabei, wenn der Rotor mit Dauermagneten versehen ist. Die unterschiedlichen Arbeitskennlinien – bedingt durch die unterschiedliche Höhe der Luftspalte im Bereich der Magnetpole – können auch bei einem elektrisch erregten Motor erreicht werden.
Die Erfindung wird anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Motoraufbau mit einem Stator, der abwechselnd Magnetpole und Rückflußpole aufweist und dessen Magnetpole einen Bereich mit einem Luftspalt kleiner Höhe und einem Bereich mit einem Luftspalt großer Höhe aufweisen,
2 unterschiedliche Bestromungs-Diagramme für die zwei Wicklungsstränge des Motors nach 1,
3 die Arbeitskennlinien des Motors nach 1 unter Berücksichtigung der Luftspalte, der Einsatz-Zeitpunkte und der Dauer der Bestromung nach 2,
4 das Arbeitsfeld des Motors, das allein durch Variation des Einsatz-Zeitpunktes der Bestromung abdeckbar ist,
5 das Arbeitsfeld des Motors, das durch Variationen des Einsatz-Zeitpunktes und der Dauer der Bestromung abdeckbar ist, und
6 unterschiedliche Ausgestaltungen der Magnetpole.
Wie der Motoraufbau nach 1 zeigt, wird bei einem Außenläufer ein Stator St von einem Rotor R umschlossen, der abwechselnd Nord- und Südpole N und S trägt. Diese Nord- und Südpole können vorzugsweise, jedoch nicht ausschließlich, Dauermagnete sein, die mit konkaven Polflächen dem Stator St zugekehrt sind. Der Stator St selbst ist durch Nuten NT unterteilt, die T-förmige Magnetpole MP1, MP2, MP3, MP4, MP5, MP6, MP7 und MPn sowie Rückflußpole RP1, RP2, RP3, RP4, RP5, RP6, RP7 und RPn abteilen. Die Magnetpole MP1 bis MPn bilden, wie aus 6 ersichtlich, zu den Polflächen des Rotors R Bereiche B1 und B2 mit Luftspalten L1 und L2 kleiner und großer Höhe. Die Bereiche Höhe B1 und 62 erstrecken sich über denselben Winkelbereich des Stators St, d. h. sie sind etwa gleich breit. Beide Bereiche B1 und B2 überdecken auch den Winkelbereich der Polfläche der Dauermagnete. Die Polflächen der Rückflußmagnete RP1 bis RP8 erstrecken sich nur etwa über den halben Winkelbereich der Magnetpole MP1 bis MPn, sowie der Nord- und Südpole N und S.
Dem Rotor R ist eine Positions-Erfassungseinrichtung EF zugeordnet, die das Erreichen einer definierten Positionsstellung des Rotors R zum Stator St anzeigt, um eine Zeit-Bezugsgröße to für den Einsatz-Zeitpunkt t1 und t2 der Bestromung der Wicklungsstränge W1 und W2 des Stators St zu erhalten.
In 2 sind Bestromungs-Diagramme für die Wicklungsstränge W1 und W2 dargestellt. Dabei ist vorausgesetzt, daß der Nullpunkt mit to dem Zeitpunkt des Erreichens der definierten Positionsstellung zwischen Rotor R und Stator St entspricht. Die jeweils zugeordneten Arbeitskennlinien sind in 3 dargestellt.
Wird zur Zeit t1 mit der Bestromung des Wicklungsstranges W1 begonnen und jeweils mit gleich großer Periode P die Bestromung impulsförmig wiederholt, dann ergeben sich die in 3 mit n1 und I1 bezeichneten Arbeitskennlinien des Motors, wenn die Bestromung dann erfolgt, wenn die Luftspalte L2 wirksam sind. Die Bestromungsdauer erfolgt dabei nur in einem Teilbereich, z. B. einem Viertel, der Periode P. Wie das Diagrammpaar I der 2 zeigt, erfolgt die Bestromung des Wicklungsstranges W2 um eine halbe Periode P versetzt und in gleicher Weise periodisch, so daß zwischen der Bestromung des Wicklungsstranges W1 und der Bestromung des Wicklungsstranges W2 ein stromloser Abstand Ta vorhanden ist.
Setzt die Bestromung des Wicklungsstranges W1 erst zum Zeitpunkt t2 ein (Diagrammpaar II), dann werden unter Beibehaltung der Periode P und derselben Bestromungsverhältnisse für die beiden Wicklungsstränge W1 und W2 die mit n2 und I2 bezeichneten Arbeitskennlinien nach 3 erhalten. Die Bestromung fällt dann mit der Stellung von Rotor R und Stator St zusammen, wenn die Luftspalte L1 wirksam sind.
Werden die Wicklungsstränge W1 und W2 entsprechend dem Diagrammpaar III nach 2 bestromt, dann ergeben sich beim Einsatz-Zeitpunkt t1 für den Wicklungsstrang W1 und einer Dauer der Bestromung, die jeweils der halben Periode P entspricht, die mit n3 und I3 in 3 bezeichneten Arbeitskennlinien.
In 3 sind die anteiligen Drehmomente M1 und M2 und das Gesamtdrehmoment Mges des Motors aufgezeichnet, die sich bei einer Bestromung der Wicklungsstränge W1 und W2 mit dem Einsatz-Zeitpunkt t1 und der Bestromung gemäß Diagrammpaar III ergeben.
In 4 sind die Arbeitskennlinien aufgezeichnet, die mit den Bestromungs-Diagrammpaaren I und II nach 2 erhalten werden. Diese beiden Bestromungs-Diagrammpaare I und II für die Wicklungsstränge W1 und W2 unterscheiden sich lediglich im Einsatz-Zeitpunkt t1 und t2, so daß sich bei einer Änderung des Einsatz-Zeitpunktes von t1 zu t2 das schraffierte Arbeitsfeld AF1 nach 4 abdecken läßt.
Übernimmt man in 5 auch noch die Arbeitskennlinien bei der Bestromung mit dem Diagrammpaar III nach 2, dann zeigt sich, daß mit der Variation des Einsatz-Zeitpunktes von t1 zu t2 und der Dauer der Bestromung von einer viertel zu einer halben Periode P für die Wicklungsstränge W1 und W2 das wesentlich größere schraffierte Arbeitsfeld AF2 abdecken läßt.
In 6 sind unterschiedliche Ausgestaltungen der Polflächen für Magnetpole MPn des Stators St gezeigt. Dabei können sich die Bereiche B1, B2 und B3 mit den unterschiedlich hohen Luftspalten L1, L2 und L3 über den gleichen Winkelbereich des Magnetpols oder auch über verschieden große Winkelbereich erstrecken. Die Bereiche können auch mehrstufig ausgebildet sein. Außerdem können sich die Luftspalte L4 über den Bereich B4 auch kontinuierlich vergrößern oder verkleinern sowie kurvenförmig gestaltet sein. Die Bereiche können an den Magnetpolen MPn auch unterschiedlich groß und mit verschiedenen Luftspalten versehen sein.
Die Erfindung ist auch bei anders gewickelten Statoren St anwendbar und nicht auf den in 1 gezeigten Aufbau des Stators St und Rotors R beschränkt. Der Motor kann auch als Innenläufer aufgebaut und der Rotor elektrisch erregt werden.

Claims

Elektronisch kommutierter Motor mit – einem mindestens zwei Wicklungsstränge (W1, W2) tragenden Stator (ST) mit mehreren Magnetpolen (MP1, MP2, MP3, MP4 ...) und Nuten (NT) und – einem Rotor (R), bei dem mittels einer Positions-Erfassungseinrichtung (EF) eine definierte Positionsstellung zwischen Rotor (R) und Stator (ST) erkennbar ist, – wobei die Magnetpole (MP1, MP2, MP3, MP4 ...) Bereiche (B1, B2, B3, B4) mit unterschiedlich hohem Luftspalt (L1, L2, L3, L4) zum Rotor (R) aufweisen, und – wobei die Einsatz-Zeitpunkte (t1, t2) der zeitlich nacheinander erfolgenden Bestromung der Wicklungsstränge (W1, W2) und/oder die Dauer (T1, T2) der Bestromung der Wicklungsstränge (W1, W2), bezogen auf eine bestimmte Positionsstellung (to) zwischen Rotor (R) und Stator (ST), definiert vorgebbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Vorgabe der Einsatz-Zeitpunkte (t1, t2) und/oder der Dauer (T1, T2) der Bestromung der Wicklungsstränge (W1, W2) verschiedene Arbeitskennlinienpaare (n1, I1; n2, I2; n3, I3) des Motors gezielt wählbar sind, wobei ein erstes Arbeitskennlinienpaar (n1, I1) dadurch ausgewählt wird, dass die Bestromung dann erfolgt, wenn die höheren Luftspalte (L2) wirksam sind und ein zweites Arbeitskennlinienpaar (n2, I2) dadurch ausgewählt wird, dass die Bestromung dann erfolgt, wenn die niedrigeren Luftspalte (L1) wirksam sind.
Elektronisch kommutierter Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestromung der Wicklungsstränge (W1, W2) periodisch erfolgt, wobei die Periodendauer (P) die Drehzahl (n1, n2, n3) und/oder Leistungsabgabe (11) des Motors bestimmt/bestimmen.
Elektronisch kommutierter Motor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestromung der Wicklungsstränge (W1, W2) mit zeitlichem Abstand (Ta) zueinander erfolgt.
Elektronisch kommutierter Motor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestromung der Wicklungsstränge (W1, W2) unmittelbar aufeinanderfolgend erfolgt.
Elektronisch kommutierter Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetpole (MPn) des Stators (St) stufig abgesetzte Luftspalte (L1, L2 bzw. L1, L2, L3) zum Rotor (R) bilden.
Elektronisch kommutierter Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetpole (MPn) des Stators (St) zwischen den höheren Luftspalten (L2) und den niedrigeren Luftspalten (L1) Bereiche (B4) mit sich kontinuierlich verändernden Luftspalten (L4) aufweisen.
Elektronisch kommutierter Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (NT) abwechselnd breite Magnetpole (MP1 bis MPn) und schmale Rückflusspole (RP1 bis RP8) abteilen, dass die Wicklungsstränge (W1, W2) abwechselnd ineinander verschachtelte Teilwicklungen (TW11, TW21; TW12, TW22) aufweisen, die jeweils nur um einen Magnetpol (MP1, MP3 ... bzw. MP2, MP4 ...) gewickelt sind und von Teilwicklung zu Teilwicklung den Wicklungssinn ändern oder – bei unterschiedlicher Stromrichtung – gleichsinnig gewickelt sind.
Elektronisch kommutierter Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Außenläufer der mit Dauermagneten (N, S) versehene Rotor (R) den Stator (St) umschließt.
Elektronisch kommutierter Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Innenläufer der Stator (St) den mit Dauermagneten (N, S) versehenen Rotor (R) umschließt.