DE19806258A1 - Wäschebehandlungsgerät mit einem auf der Trommelwelle angeordneten Antriebsmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Wäschebehandlungsgeräte wie Waschmaschine, Wäschetrockner oder Waschtrockner mit einer drehbar gelagerten Trommel mit mindestens annähernd horizontaler Drehachse, und mit einem auf der Trommelwelle angeordneten Antriebsmotor in Form eines permanentmagneterregten Synchronmotors, dessen Stator mit einer Wicklung versehen ist, welche durch einen Umrichter bestromt wird.

Aus der DE 38 19 651 A1 ist bereits eine Waschmaschine bekannt, bei der ohne Verwendung des üblichen Zwischentriebs (Antriebsriemen, Riemenscheibe) die Wäschetrommel direkt angetrieben wird. Bei diesen Antrieben bildet der Rotor das Drehbewegungsübertragungsteil zur Trommel der Waschmaschine. In der DE 38 19 651 A1 wird vorgeschlagen, einen Asyn­ chronmotor mit einem Käfigläufer zu verwenden. Ein solcher Motor zeichnet sich durch einen relativ geräuscharmen Lauf aus, er besitzt jedoch den Nachteil, daß unter den gegebenen Randbedingungen wie z. B. großer Luftspalt und hochpolige Ausführung bei Asynchronma­ schinen gute Wirkungsgrade nicht möglich sind. Gerade bei einem häufig betriebenen Haus­ haltsgerät besteht jedoch der Wunsch nach einer umweltfreundlichen, d. h. energiesparenden Betriebsweise.

Ein Motor gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der DE 43 41 832 A1 bekannt. Dort ist ein die Trommel direkt antreibender Motor beschrieben, der als umrichtergespeister Synchron­ motor ausgeführt ist. Weitere Angaben sind zur Motorart nicht gemacht.

Es sind weiterhin Waschmaschinen mit direkt antreibenden Motoren bekannt, die als Außen­ läufermotoren aufgebaut sind (DE 44 14 768 A1, DE 43 35 966 A1, EP 413 915 A1, EP 629 735 A2). Der Rotor kann als Tiefziehteil, als Kunststoffglocke oder in einer Verbundbauweise hergestellt werden. Vorteilhaft ist die Lösung als Tiefziehteil, da hierbei das Eisen gleichzeitig den magnetischen Rückschluß bildet. Diese Bauform ist unter anderem auch eine typische Ausführung von Lüftermotoren.

Bei den oben genannten Direktantrieben für Waschmaschinen werden kollektorlose Gleich­ strommotoren eingesetzt. Deren Statorwicklung kann entweder als herkömmliche Drehstrom­ wicklung mit einem Wickelschritt über mehrere Statorzähne oder als Einzelpolwicklung mit Wicklung um einen Statorzahn ausgeführt sein. Die Stromwendung erfolgt bei diesem Motortyp mit Leistungshalbleitern. Dabei werden in Abhängigkeit von der Rotorlage die einzelnen Stränge der Statorwicklung von einem Wechselrichter bestromt, so daß das Erregerfeld mit dem Motor umläuft. In einer dreisträngigen Erregerwicklung fließt bei dieser Ansteuerung des Motors immer nur in zwei Strängen ein Strom, der zur Momentenbildung dient, wobei der dritte Strang unbestromt bleibt. Der zeitliche Stromverlauf in den einzelnen Strängen ist block- oder trapezförmig. Dadurch treten beim Ein- und Ausschalten der einzelnen Wicklungen hohe Stromänderungsgeschwindigkeiten auf, die Geräusche am Motor erzeugen. Bei Wäsche­ behandlungsgeräten, die zum Teil in Wohnräumen (Küche, Bad) aufgestellt werden, sind solche Geräusche unerwünscht.

Bei elektronisch kommutierten Gleichstrommotoren, werden zur Sensierung der Rotorlage Hallsensoren, Magnetgeber oder optische Sensoren verwendet. Das Anbringen solcher Sensoren und der dazugehörenden Signalleitungen ist mit zusätzlichen Kosten verbunden. Außerdem sind Sensoren und Leitungen störanfällig. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß bei solchen selbstgeführten permanentmagneterregten Motoren ein Betrieb mit Feld­ schwächung nicht ohne weiteres möglich ist. Die bei Waschmaschinen erforderliche große Momenten- und Drehzahlspreizungen zwischen Wasch- und Schleuderbetrieb bewirken normalerweise große Spreizungen des Motorstroms. Deshalb müssen umschaltbare oder an­ gezapfte Wicklungen installiert werden oder die Motorwicklung und die Leistungshalbleiter müssen für den größtmöglichen Strom dimensioniert werden.

Über einen Umrichter sinusförmig bestromte und geregelte Synchronmotoren sind bereits als Servoantriebe bekannt. Sie werden dort eingesetzt, wo ein genaues Positionieren erforderlich ist. Bei bekannten Servoantrieben ist die Statorwicklung als klassische Drehstromwicklung ausgeführt, und die Polzahl von Rotor und Stator sind identisch. Die Drehstromwicklung zeichnet sich zwar durch gängige und bekannte Wickeltechniken aus, besitzt jedoch den Nachteil, daß das Kupfervolumen insbesondere in den Wickelköpfen sehr groß ist, was die Fertigungskosten erhöht und die Bautiefe des Motors vergrößert. Letzteres würde bei Wasch­ maschinen mit vorgegebener Gehäusetiefe das Trommelvolumen verringern. Außerdem benö­ tigen Servoantriebe für einen geregelten Betrieb sehr genaue und teure Sensoren zur Erkennung der Rotorlage.

Ein weiterer Nachteil aller vorgenannten permanentmagneterregten Motoren besteht darin, daß sie keine Feldschwächung kennen, da der magnetische Fluß des Motors im wesentlichen vom Feld der Dauermagnete abhängt und somit konstant ist. Für Waschmaschinenantriebe sind solche Motoren deshalb eher ungeeignet, da eine große Momenten- und Drehzahlspreizung zwischen dem Waschbetrieb und dem Schleuderbetrieb eine große Spreizung des Motorstroms zur Folge hätte. Die Motorwicklung und die Leistungshalbleiter des Frequenzumrichters müßten deshalb für den größten Strom dimensioniert werden und wären sehr teuer. Alternativ dazu könnte eine Wicklungsanzapfung verwendet werden, wobei jedoch zusätzliche Leitungen vom Motor zur Elektronik geführt werden müssen. Außerdem werden teure Umschaltrelais notwendig.

Der Erfindung stellt sich somit das Problem, bei einer Wäschebehandlungsmaschine der ein­ gangs genannten Art den Motor in puncto Energieverbrauch, Geräuschentwicklung und Kosten zu optimieren. Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch ein Wäschebehandlungsgerät mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Unteransprüchen.

Im Gegensatz zu bisher bekannten Direktantrieben für Waschmaschinen mit kollektorlosen Gleichstrommotoren werden bei dem hier beschriebenen Antriebskonzept alle drei Wicklungs­ stränge der dreiphasigen Erregerwicklung kontinuierlich bestromt, wobei die Frequenz des Er­ regerfeldes von der Elektronik vorgegeben wird. Der Motor wird in diesem Fall als fremdge­ führter Synchronmotor betrieben. Dieses Verfahren garantiert die geringste Geräuschent­ wicklung in Verbindung mit einem permanentmagneterregten Synchronmotor.

Durch die Verwendung der Einzelpolwicklung ist der Kupfereinsatz geringer als bei einer klassischen Drehstromwicklung, insbesondere das Kupfervolumen der Wickelköpfe ist deutlich geringer. Hierdurch wird der gesamte Antrieb kleiner und kompakter. Durch das geringere Kupfervolumen können bei gleicher Motorgröße aufgrund geringerer Kupferverluste höhere Wirkungsgrade erreicht werden.

Es ist vorteilhaft, den Rotor als Außenläufer auszubilden, hierdurch lassen sich die kompak­ testen Bauformen erzielen, weil der drehmomentbildende Luftspaltradius nahe am Außenradius liegt.

Es ist weiterhin vorteilhaft, eine Steuervorrichtung einzusetzen, welche die Ausgangsspannung des Frequenzumrichters durch eine Regelung derart einstellt, daß sich in Abhängigkeit vom Lastmoment ein minimaler sinusförmiger Strom einstellt. Sinusförmige Ströme bewirken einen sehr leisen Motorlauf und eine Reduzierung der durch Stromoberwellen hervorgerufenen Verluste. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Ausgangsspannung in Form einer sinusbe­ werteten Pulsweitenmodulation eingestellt ist. Weiterhin gewährleistet die momentenabhängige Stromregelung in jedem Lastpunkt einen optimalen Wirkungsgrad.

Bei Synchronmotoren mit Einzelpolwicklung weicht die Anzahl der Magnetpole in charakte­ ristischer Weise von der Zahl der Statorpole ab. Bei einer dreisträngigen Auslegung und einer kontinuierlichen Bestromung bzw. einer Drehdurchflutung der Statorwicklung ist ein Verhältnis von Rotorpolen zu Statorpolen von 2 zu 3 oder von 4 zu 3 günstig. Nur in diesen beiden Fällen ergibt die vektorielle Addition der in den einzelnen Polwicklungen induzierten Spannungen eines Stranges ein Maximum und ein Optimum an Wirkungsgrad.

Bei einem Polverhältnis von 4 zu 3 ist die Verwendung von etwa 30 Statorpolen günstig, um den geforderten Drehzahlbereich von 0 bis 2000 l/min zu überdecken. Die gewählte Polzahl gewährleistet einen sicheren Anlauf bei fremdgeführten Betrieb, eine geringe Momentenwellig­ keit und eine große Drehzahlspreizung.

Daneben ist es vorteilhaft, wenn der Steuervorrichtung zur Regelung des Motorstroms ein mathematisches Modell des Motors zugrundeliegt und wenn die Bestromung der Wicklungs­ sträne unter Verzicht auf Rotorlagegeber erfolgt. Da die Erfassung des Motorstroms und der Spannung am Motor im Frequenzumrichter selbst erfolgen kann, sind keine Sensoren am Motor erforderlich.

In einer vorteilhaften Ausführung einer sensorlosen Regelung kann bei Bedarf oder kontinu­ ierlich eine Kalibrierung des mathematischen Modells erfolgen. Die motorspezifischen Para­ meter wie Wicklungswiderstand, Motorinduktivität und Konstante der induzierten Spannung können mit Hilfe der ohnehin vorhandenen Stromsensoren und der Mikroprozessor-Steuerung im Frequenzumrichter ermittelt und das mathematischen Modell anhand der gemessenen Werte angepaßt werden.

Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäß ausgebildeten Wäschebehandlungsgeräts ergibt sich aus der Möglichkeit, die Windungszahl der Statorwicklungen derart zu dimensionieren, daß der Betrag der induzierten Spannung bzw. der Polradspannung für hohe Drehzahlen größer als die maximale Ausgangsspannung des Frequenzumrichters ist. Eine solche Wicklungsausle­ gung ermöglicht einen Feldschwächungsbetrieb des Synchronmotors im höheren Drehzahl­ bereich. Der Vorteil dieser Wicklungsauslegung ist eine deutliche Reduzierung des Motor­ stromes im Waschbetrieb. Sie kann derart gewählt sein, daß der Motor im Wasch- und Schleuderbetrieb mit dem gleichen Strom betrieben werden kann. Aufgrund des geringeren Motorstroms können deswegen kleinere und kostengünstigere Leistungshalbleiter eingesetzt werden. Außerdem werden die Verluste in den Leistungshalbleitern reduziert, wodurch der Gesamtwirkungsgrad von Motor und Leistungselektronik höher ist als bei vergleichbaren Antrieben mit gleichem Kupfereinsatz. Um eine Feldschwächung auch bei Verwendung einer Regelung mit Rotorlagegebern zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, auf deren Auswertung bei höheren Drehzahlen zu verzichten. Bei höheren Drehzahlen treten bei Waschmaschinen keine großen oder kurzzeitigen Lastschwankungen auf, so daß eine Regelung des Motorstromes nicht unbedingt erforderlich ist. Der Motor wird in diesem Fall fremdgeführt betrieben, wobei Spannung und Frequenz vom Umrichter ohne Rücksicht auf die Lage des Rotorfeldes vor­ gegeben werden. Der Motorstrom stellt sich dann in Abhängigkeit vom Lastmoment in Grenzen von selbst ein. Um eine Überlastung und ein außer Tritt fallen des Motors zu verhindern, reicht es aus die Höhe des Motostromes in Abhängigkeit von der Drehfeldfrequenz zu überwachen.

Weiterhin lassen sich durch eine Feldschwächung auch mit hochpoligen permanenterregten Synchronmotoren gute Wirkungsgrade bei hohen Drehzahlen erzielen, da die Ummagneti­ sierungsverluste in Folge der Feldschwächung verringert werden.

Kollektorlose Gleichstrommotoren können nur sehr aufwendig mit Feldschwächung betrieben werden, da dann die Position der Rotorlagegeber verändert oder die Kommutierungszeitpunkte rechnerisch verschoben werden müßten. Bei Servoantrieben ist ein Feldschwächebetrieb aus den vorgenannten Gründen nicht bekannt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen rein schematisch dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäß aufgebaute Waschmaschine als Schemaskizze,

Fig. 2 einen Teilschnitt durch den hinteren Bereich eines Laugenbehälters (2), einer Trommel (6) und deren Antriebsmotor (10),

Fig. 3 das Lagerkreuz (11) einer Waschmaschine in perspektivischer Darstellung,

Fig. 4 ein Einzelblech eines Stators (16) des Antriebsmotors (10),

Fig. 5 einen permanentmagnetischen Rotor (15) in perspektivischer Darstellung,

Fig. 6 ein Blockschaltbild der Struktur des geregelten Antriebs mit Drehstrom- Synchronmotor und Rotorlagegebern,

Fig. 7 ein Blockschaltbild der Struktur des sensorlos geregelten Antriebs mit Dreh­ strom-Synchronmotor.

Die in Fig. 1 dargestellte Waschmaschine besitzt ein Gehäuse (1), in dem ein Laugenbe­ hälter (2) an Federn (4) schwingbeweglich aufgehängt ist. Zur Dämpfung der Schwingungen wird er gegenüber dem Gehäuseboden (1a) durch Reibungsdämpfer (5) abgestützt. Im Lau­ genbehälter (2) ist in bekannter Weise eine Trommel (6) zur Aufnahme von Waschgut (nicht dargestellt) drehbar gelagert. Trommel (6), Laugenbehälter (2) und die Gehäusevorder­ wand (1a) besitzen korrespondierende Öffnungen, durch die das Waschgut in die Trommel (6) eingefüllt werden kann. Die Öffnungen können durch eine an der Gehäusevorderwand (1a) angeordnete Tür (7) verschlossen werden. Die Verriegelung der Tür (7) erfolgt durch eine elektromagnetischen Verschlußeinrichtung (8). Die Türverriegelung ist in der Zeichnung lediglich schematisch dargestellt. Der Aufbau und die Funktionsweise einer elektromagne­ tischen Verschlußeinrichtung (8) selbst ist aus der o. g. DE-OS 16 10 247 oder aus der DE 34 23 083 C2 hinreichend bekannt und wird deshalb nicht näher beschrieben. Im oberen Teil der Gehäusevorderwand (1a) ist ein Bedienfeld (nicht dargestellt) angeordnet, in dem ein Drehwahlschalter (9) zur Anwahl von Waschprogrammen dient. Die Waschprogramme bein­ halten bekanntermaßen einen Waschgang und einen sich daran anschließenden Spülgang, in dessen Verlauf die Wäsche mehrmals geschleudert wird. Die Waschdrehzahl beträgt bei Haushaltswaschmaschinen zwischen 20 und 60 min-1, die Schleuderdrehzahl sollte insbe­ sondere beim letzten Schleudern zum Ende des Spülgangs möglichst hoch sein. Sie wird durch die Belastbarkeit des schwingenden Systems Laugenbehälter (2) - Aufhängung (3; 4) - Antriebsmotor (10) - Trommel (6) nach oben begrenzt, die Grenzen liegen derzeit etwa bei 1600 min-1.

Fig. 2 zeigt einen Teilschnitt durch den hinteren Bereich eines Laugenbehälters (2), einer Trommel (6) und deren Antriebsmotor (10). Zur drehbaren Lagerung der Trommel (6) ist an einem Randansatz (2a), der durch den Mantel (2b) des Laugenbehälters (2) und eine Umkan­ tung seines Bodens (2c) gebildet wird, ein in Fig. 3 dargestelltes vierarmiges Lagerkreuz (11) befestigt. Im Zentrum dieses Lagerkreuzes (11) befindet sich eine Lagernabe (12), in die zwei Radialwälzlager (13a, b) eingesetzt sind. Diese Wälzlager (13a,b) wiederum dienen zur dreh­ baren Aufnahme einer Antriebswelle (14), welche drehfest mit dem Trommelboden (6a) ver­ bunden ist. Das hintere Ende (14a) der Antriebswelle (14) ragt aus der Lagernabe (12) heraus. An ihm ist ein als Außenläufer ausgebildeter permantentmagnetischer Rotor (15) befestigt und treibt die Trommel (6) somit direkt an. Der Stator (16) des Antriebsmotors (10) ist am Lager­ kreuz (11) befestigt.

Das Statorblechpaket (17) mit den Statorwicklungen (18) ist im wesentlichen ringförmig aus­ gebildet. Fig. 4 zeigt den Blechschnitt eines einzelnen Statorblechs (17a). Zur Befestigung des Statorblechpakets (17) am Lagerkreuz besitzt die einzelnen Bleche (17a) Befestigungsaugen, die an der inneren Umfangsfläche angeordnet und mit Durchgangsbohrungen (19) versehen sind. Durch diese Bohrungen (19) werden Befestigungsschrauben (nicht dargestellt) geführt und in Gewindebohrungen (26) am Lagerkreuz (11) geschraubt. Die Bohrungen (26) sind konzentrisch zur Lagernabe (12) angeordnet. Ihre freien Enden weisen Auflageflächen (20) für eine Stirnfläche des Statorblechpaketes (17) auf. Die Zentrierung des Statorblechpaketes (17) erfolgt über radial ausgebildete Versteifungsrippen (21).

Der Rotor (15) besteht aus einem topfförmigen Tiefziehteil oder einem Aluminiumspritzguß­ teil (15a) mit einem Hohlzylinderabschnitt (15b), welcher einen ringförmigen Eisenrück­ schluß (22) und die darauf befestigten Permanentmagnete (23) als Rotorpole enthält (s. a. Fig. 5). Weiterhin weist der Rotor (15) eine Nabe (24) auf, die mit dem freien Ende (14a) der Antriebswelle (14) durch einen Schraubenbolzen (25) und eine Kerbverzahnung (nicht darge­ stellt) formschlüssig und somit drehfest verbunden ist.

Der Antriebsmotor ist als permanentmagneterregter Drehstrom-Synchronmotor ausgeführt. Im Stator (16) ist eine dreisträngige Einzelpolwicklung (Zahnbewicklung) untergebracht, wobei die Stränge in einer Sternschaltung (s. Fig. 5, 6) verbunden sind. Die Wicklungen der Zähne (27) eines Stranges sind in Reihe geschaltet. Der Antriebsmotor ist somit als modulare Dauer­ magnetmaschine aufgebaut. Das Polverhältnis von Rotorpolen (23) zu Statorpolen (27) beträgt 4 zu 3 bei einer Anzahl von 30 Statorpolen (27).

Fig. 5 zeigt als Blockschaltbild die Struktur des geregelten Antriebs mit Drehstrom-Synchron­ motor (10). Die Drehzahl des Motors (10) wird in Abhängigkeit von dem mit dem Drehwahl­ schalter (9, s. Fig. 1)) eingestellten Programm als Sollwert von der Programmsteuerung ST (101) der Waschmaschine vorgegeben. Zur Beeinflussung der Motordrehzahl muß sowohl die Frequenz von Spannung und Strom als auch die Höhe der Spannung in den Statorwick­ lungen (18) verstellt werden. Zur Regelung des Motors (10) wird zusätzlich der Motorstrom in Abhängigkeit vom Lastmoment eingestellt. Hierzu werden mit Stromsensoren (103a, b) min­ destens zwei Strangströme I₁ und I₂ gemessen.

Die Verstellung der vorgenannten Größen erfolgt über den Frequenzumrichter (104). Hierbei wird zunächst die Netzspannung über einen Gleichrichter (105) in eine Gleichspannung umge­ wandelt und über einen Zwischenkreiskondensator (106) geglättet. Die Gleichspannung wird von einem dreiphasigen Wechselrichter (107) umgewandelt, der ausgangsseitig an die Stator­ wicklung (18) angeschlossen ist. Da die Zwischenkreisspannung konstant ist, wird die Span­ nung am Motor (10) über eine Pulsweitenmodulation eingestellt. Der Effektivwert der Span­ nung läßt sich dabei über die Pulsbreite verändern. Es wird ein Pulsmuster gewählt, durch das sich in der Statorwicklung (18) des Motors (10) sinusförmige Ströme ausbilden. Man spricht deshalb von einer sinusbewerteten Pulsweitenmodulation. Die sinusförmigen Ströme bewirken einen sehr leisen Lauf des Motors (10) und eine Reduzierung der durch Stromoberwellen her­ vorgerufenen Verluste. Zur Beeinflussung der Pulsmuster ist dem Wechselrichter (107) eine Mikroprozessor-Steuerung MC (108) zugeordnet, in der eine Regelung R (109) und eine Ventil­ ansteuerung V (110) integriert ist.

Die Berechnung der Steuersignale für die Transistoren des Wechselrichters (107) erfolgt auf der Grundlage der jeweiligen Rotorlage, um jederzeit die optimale Ausrichtung und Stärke des Drehfeldes einzustellen und damit ein ausreichendes Moment am Rotor (15) zu gewährleisten. Wegen der sinusförmigen Bestromung des Synchronmotors (10) und der momentenab­ hängigen Stromregelung ist eine kontinuierliche und genaue Rotorlageerkennung erforderlich. Hierzu können Resolver oder analoge Hallgeneratoren (111) eingesetzt werden. Hallsen­ soren (111) ist wegen ihrer Preisgünstigkeit der Vorzug zu geben. In beiden Fällen handelt es sich um absolute Meßsysteme, die bereits unmittelbar nach dem Einschalten eine genaue Information über die absolute Lage des Rotors (15) in Bezug auf den Stator (16) liefern. Bei Verwendung von zwei analogen Hallgeneratoren (111) werden diese mit Hilfe der Rotor­ magneten zwei gegeneinander um 90° phasenverschobene Signale erzeugen. Mit diesen beiden Signalen läßt sich mit Hilfe der mathematischen Funktion

β = arctan(a/b)

der Rotorwinkel bestimmen.

Bei Einsatz von analogen Hallgeneratoren (111) ist deren Selbstkalibrierung sinnvoll, da auf­ grund von Exemplarstreuungen wie z. B. Empfindlichkeit, Offset, Temperaturdrift usw. die analogen Ausgangssignale verschiedener Hallgeneratoren (111) in einem konstanten magne­ tischen Feld nicht unbedingt identisch sind. Für eine genaue Rotorlageerkennung muß daher eine Korrektur der Ausgangssignale erfolgen. Ziel dieser Korrektur ist es, daß die eingesetzten Hallgeneratoren (111) in einem konstanten magnetischen Feld die gleichen Ausgangssignale liefern. Eine solche Korrektur kann dadurch erfolgen, daß in einer in der Mikroprozessor-Steue­ rung MC (108) integrierten Korrekturvorrichtung K (112) während einer Rotorumdrehung die analogen Ausgangssignale beider Hallgeneratoren (111) gespeichert werden und anschließend aus den gespeicherten Werten der Mittelwert sowie Maximum und Minimum ermittelt werden. Ist der Mittelwert bekannt, so läßt sich ein Offset korrigieren, während anhand von Maximum und Minimum die Empfindlichkeit und die Temperaturdrift korrigiert werden können. Ein Tempe­ ratureinfluß auf die Remanenzinduktion der Magnete (23) braucht nicht berücksichtig zu werden, da in diesem Fall die Ausgangssignale beider Hallgeneratoren (111) in gleicher Weise und in gleicher Größe verändert werden. Wird der Rotorwinkel mit Hilfe der mathematischen Funktion

β = arctan(a/b)

berechnet, so bleibt der Quotient (a/b) bei Änderung des Magnetfeldes in Abhängigkeit von der Temperatur konstant.

Fig. 6 zeigt ein Blockschaltbild der Struktur einer Regelung bei der auf Sensoren zur Rotor­ lageerkennung verzichtet werden kann. Bei einer sensorlosen Regelung des Synchron­ motors (10) mit kontinuierlicher, insbesondere mit sinusförmiger Bestromung muß die Rotorpostion durch die Mikroprozessor-Steuerung MC (108) berechnet werden. Dies erfolgt auf der Grundlage eines in der Steuerung abgelegten mathematischen Modells M (113) des Motors (10), bei dem die charakteristischen Motorparameter wie Wicklungswiderstand, Motorinduktivität und induzierte Spannung bekannt sein müssen. Die Motorströme (I₁, I₂) und die Motorspannung U__w werden kontinuierlich vektoriell, d. h. nach Betrag und Phasenlage erfaßt, wobei die Ströme mit den Sensoren gemessen werden und die Spannung aufgrund des von der Ventilansteuerung V (110) erzeugten Pulsmusters bekannt ist. Somit läßt sich der jeweilige Betriebspunkt des Motors (10) genau bestimmen und der Motor (10) kann mit dem für das Lastmoment erforderlichen minimalen Strom betrieben werden. Da die Erfassung des Motorstroms und der Spannung am Motor (10) im Frequenzumrichter (104) selbst erfolgen kann, sind keine weiteren Sensoren am Motor (10) erforderlich.

In einer vorteilhaften Ausführung der sensorlosen Regelung erfolgt entweder bedarfsweise oder kontinuierlich eine Anpassung der Parameter des mathematischen Modells M (113). Eine solche Kalibrierung kann erforderlich werden, wenn sich die motorspezifischen Parameter (Wicklungswiderstand, Motorinduktivität und induzierte Spannung) durch Erwärmung des Motors (10) im Betrieb verändern. Insbesondere der Wicklungswiderstand und induzierte Spannung sind stark temperaturabhängige Größen. Durch eine kurzzeitige Bestromung der Statorwicklung (18) durch den Frequenzumrichter (104) mit Gleichstrom, vorteilhafterweise während der Reversierpausen im Waschbetrieb, läßt sich sowohl der augenblickliche Wick­ lungswiderstand (und damit auch die Temperatur des Motors) als auch die Motorinduktivität ermitteln, wenn die Spannung am Motor (10) bekannt ist und der Strom über die Senso­ ren (103a, b) im Frequenzumrichter (104) gemessen wird.

Der Wicklungswiderstand R ergibt sich aus Beziehung R = U/I und die Induktivität L aus der Zeitkonstanten T = L/R, wobei der Strom kontinuierlich erfaßt werden muß, um die Zeit­ konstante T zu ermitteln.

Da die Maschine als fremdgeführter Synchronmotor (10) betrieben wird, ist es wichtig, daß die Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters (104) beim Anlauf des Motors (10) niedrig ist. Typisch sind Einschalt-Frequenzen von 0,1 bis 1 Hz. Dies gewährleistet in Verbindung mit der hohen Polzahl des Motors (10) auch unter Last einen sicheren und ruckfreien Anlauf.

Die Windungszahl der Statorwicklung (18) ist derart bemessen, daß bei höheren Drehzahlen die Polradspannung und die induzierte Spannung des Synchronmotors (10) höher sind als die Ausgangsspannung oder die Zwischenkreisspannung des Frequenzumrichters (104). Diese Auslegung ermöglicht einen Betrieb mit Feldschwächung bei höheren Drehzahlen. Die Feld­ schwächung ermöglicht den Motor (10) in zwei Betriebspunkten mit unterschiedlichen Dreh­ zahlen und unterschiedlichen Momenten, wie z. B. Wasch- und Schleuderbetrieb, mit etwa dem gleichem Motorstrom zu betreiben.

Unter Feldschwächung ist in diesem Fall eine Schwächung des von den Permanent­ magneten (23) des Rotors (15) erzeugten Feldes im Luftspalt durch ein im Stator (16) erzeugtes Feld mit entsprechender Stärke und Phasenlage zu verstehen. Bei Feldschwächung sind Polradspannung und Motorstrom nicht in Phase, sondern der Strangstrom eilt der Polradspannung voraus. Der Winkel zwischen Ständerdurchflutung und Läuferfeld wird bei Feldschwächung größer als 90° (elektrisch). Der Strom weist zusätzlich zu der kraftbildenden Komponente in der Querachse eine negative Ständerlängsstromkomponente auf, die dem Läuferfeld entgegengerichtet ist. Der Strangstrom kann vektoriell in eine kraftbildende und eine feldbildende Komponente zerlegt werden, wobei die kraftbildende Komponente in Phase mit der Polradspannung ist und die feldbildende Komponente dem Läuferfeld entgegengerichtet ist und dieses schwächt.

Im geregelten Betrieb läßt sich mit Hilfe der Stromsensoren (103a, b), die in mindestens zwei Phasen den Strangstrom erfassen, die drehmomentbildende Komponente des Strom in der Querachse und die Ständerlängsstromkomponente getrennt voneinander einstellen. Damit kann der Antrieb auch im Feldschwächbereich mit minimalen Strom und optimalen Wirkungs­ grad betrieben werden. Eine Sensierung und Regelung des Motorstroms ist im Betrieb mit Feldschwächung vorteilhaft, da bei einer zu großen negativen Ständerlängsstromkomponente die Magnete durch das von der Ständerdurchflutung erzeugte Feld irreversibel geschwächt werden können.

Bei einer sensorlosen Regelung wird die Rotorposition bzw. die Lage des Rotorfeldes mit Hilfe der gemessenen Strangströme und mit dem mathematischen Modell M (113) des Motors (10) berechnet. Die Rotorlage kann daher nur bestimmt werden, solange der Motor (10) bestromt wird. Bei einer sensorlosen Regelung ist es daher vorteilhaft, den Motor (10) auch während der Auslaufphase von der Waschdrehzahl oder von der Schleuderdrehzahl bis zum Stillstand zu bestromen. Hierbei wird das vom Frequenzumrichter (104) vorgegebene Drehfeld kontinuierlich in Frequenz und Amplitude verringert, bis der Stillstand erreicht ist. Werden die Wicklungs­ stränge des Motors (10) auch im Stillstand, zumindest teilweise, bestromt und der Rotor (15) dadurch in Position gehalten, so kann der nächste Anlauf sofort und ruckfrei in die vorgegebene Drehrichtung erfolgen. Bei Verwendung von Rotorpositionssensoren (111) kann der Auslauf auch ungeführt bzw. auch unbestromt erfolgen.

Der beschriebene Antrieb ermöglicht weiterhin ein Reversieren ohne oder mit nur geringer Reversierpause. Dies ist bei Waschmaschinen, die einen Antriebsriemen als Zwischentrieb aufweisen, nicht ohne weiteres möglich. Bei diesen Waschmaschinen werden üblicherweise Universalmotoren als Antrieb eingesetzt, die ungeregelt bzw. ungebremst auslaufen. Hierbei kommt es nach dem Abschalten des Motors zu einem Austrudeln oder Auspendeln der Wäschetrommel. Um eine erhöhte Abnutzung und Geräusche des Antriebsriemens zu ver­ meiden, muß nach Abschalten bis zum Wiedereinschalten des Motors solange gewartet werden, bis die Wäschetrommel mit Sicherheit den Stillstand erreicht hat. Diese Stillstands­ zeiten bei Waschmaschinen mit Antriebsriemen betragen typisch 2 bis 4 Sekunden. Durch den Entfall dieser bisher üblichen und notwendigen Pausen im Reversierbetrieb ergeben sich bei dem hier beschriebenen Direktantrieb Verkürzungen der Waschdauer.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform eines Wäschebehandlungsgeräts besitzt eine Vor­ richtung zur Auswertung der vom Rotor (15) während des Auslaufs induzierten Spannung. Anhand dieser Spannung kann auf die momentane Drehzahl geschlossen werden. Solange der Motor (10) dreht, wird in der Statorwicklung (18) des Motors (10) eine Spannung induziert. Höhe und Frequenz verhalten sich proportional zur Rotordrehzahl. Die induzierte Spannung kann zur Sensierung der Trommeldrehung genutzt werden. Bei einer Waschmaschine mit einer elektromagnetisch oder elektromechanisch verriegelten Tür kann die induzierte Spannung zum Betrieb der Verriegelung verwendet werden. Hierdurch ist in einfacher Weise ohne Verwendung zusätzlicher Drehzahlsensoren eine zustandsabhängige, sichere Verriegelung (8) der Tür (7) möglich. Eine solche Anwendung ist allgemein bei Waschmaschinen mit permanentmagnet­ erregten Rotoren möglich und beschränkt sich deshalb nicht auf die erfindungsgemäße Ausführungsform.

Claims (14)

1. Wäschebehandlungsgerät wie Waschmaschine, Wäschetrockner oder Waschtrockner mit einer drehbar gelagerten Trommel (6) mit mindestens annähernd horizontaler Drehachse, und mit einem auf der Trommelwelle angeordneten Antriebsmotor (10), in Form eines perma­ nentmagneterregten Synchronmotors (10), dessen Stator (16) mit einer Wicklung (18) versehen ist, welche durch einen Umrichter bestromt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung (18) als Einzelpolwicklung ausgeführt ist, wobei die Anzahl der Stator­ pole (27) und der Magnetpole (23) ungleich ist, und daß als Umrichter ein Frequenzum­ richter (104) verwendet wird, dessen Ausgangsspannung derart eingestellt ist, daß sich in allen Wicklungssträngen kontinuierliche Ströme ausbilden.

2. Wäschebehandlungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (15) als Außenläufer ausgebildet ist.

3. Wäschebehandlungsgerät nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Steuervorrichtung (108), welche die Ausgangsspannung des Frequenzumrichters (104) durch eine Regelung (109) derart einstellt, daß sich in Abhängigkeit vom Lastmoment ein minimaler sinusförmiger Motorstrom erzeugt wird.

4. Wäschebehandlungsgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung in Form einer sinusbewerteten Pulsweitenmodulation eingestellt ist.

5. Wäschebehandlungsgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorwicklung (18) als dreisträngige Wicklung ausgeführt ist und daß das Verhältnis von Magnetpolen (23) zu Statorpolen (27) 2/3 oder 4/3 beträgt.

6. Wäschebehandlungsmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Statorpole ca. 30 beträgt.

7. Wäschebehandlungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuervorrichtung (108) zur Regelung des Motorstroms ein mathematisches Modell (113) des Motors (10) zugrundeliegt und daß die Bestromung der Wicklungsstränge (18) unter Verzicht auf Rotorpositionssensoren erfolgt.

8. Wäschebehandlungsgerät nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Sensoren zur Ermittlung veränderlicher motorspezifischer Parameter wie Wicklungswiderstand, Motorinduktivität und Konstante der induzierten Spannung, wobei durch die gemessenen Werte die entsprechenden Bezugswerte des mathematischen Modells (113) in der Steuervorrichtung (108) korrigierbar sind.

9. Wäschebehandlungsgerät nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (15) durch einen geführten Auslauf im Waschbetrieb derart positionierbar ist, daß nach seinem Stillstand ein sofortiger Anlauf in entgegengesetzter Richtung möglich ist.

10. Wäschebehandlungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestromung der Wicklungsstränge unter Verwendung der analogen Ausgangssignale von zwei Hallsensoren (111), wobei diese Ausgangssignale durch eine Korrekturvor­ richtung (112) hinsichtlich ihrer zeit- oder zustandsabhängigen Schwankungen kalibriert werden.

11. Wäschebehandlungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungszahl der Statorwicklungen (18) derart dimensioniert ist, daß der Betrag der induzierten Spannung bzw. der Polradspannung größer als die maximale Ausgangsspannung des Frequenzumrichters (104) ist.

12. Wäschebehandlungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestromung des Motors (10) bei höheren Drehzahlen mit Feldschwächung ohne Auswertung eventuell vorhandener Rotorpositionssensoren (111) erfolgt.

13. Wäschebehandlungsmaschine, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (8) zur Auswertung der vom Rotor (15) induzierten Spannung.

14. Wäschebehandlungsmaschine nach Anspruch 13 mit einer elektromagnetisch oder elektromechanisch verriegelten Tür (7), dadurch gekennzeichnet, daß die Tür (7) durch die Vorrichtung (8) verschließbar ist.