DE19813112A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung des Motorstromes elektrischer Motoren - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zur Messung des Motorstromes elektrischer Motoren (1), deren Motorwicklungen (5) auf diskreten Stator-Hauptpolen (3) aufgebracht sind, wird der magnetische Streufluß zwischen zwei jeweils benachbarten Stator-Hauptpolen (3) gemessen und dieser, der Differenz der Phasenströme der jeweiligen benachbarten Stator-Hauptpole (3) im wesentlichen proportionale Meßwert wird einer Auswertungseinrichtung (8) zur Ermittlung des jeweiligen Zuleitungsstromes zugeführt. Das Verfahren wird durchgeführt mit einer Vorrichtung, bei der jeweils ein im wesentlichen zwischen zwei benachbarten Stator-Hauptpolen (3) angeordneter magnetischer Sensor vorgesehen ist, welcher mit einer Auswertungseinrichtung (8) zur Ermittlung des Motorstromes beziehungsweise Leiterstromes oder Zuleitungstromes anhand des gemessenen Streuflusses verbunden ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung des Motorstromes elektrischer Motoren, deren Motorwick­ lungen auf diskreten Stator-Hauptpolen aufgebracht sind.

Für elektrische Antriebe, die mit einer Stromregelung betrieben werden, ist eine Messung des Motorstromes beziehungsweise der Leiterströme oder Zuleitungsströme erforderlich. Überlicherweise wird der Motorstrom über einen Strommeßwiderstrand (Shunt) gemessen. Dies hat jedoch einen Spannungsabfall an dem Strommeßwiderstand und damit verbundene Verlustleistung zur Folge. Nachteilig ist auch, daß der Motorstromkreis und der Meßstromkreis nicht galvanisch getrennt sind. Wird der Motor mit einer getakteten Endstufe versorgt, so ist der am Strommeßwiderstand abgegriffene Meßwert zudem nicht massebezogen. Strommeßverfahren, die ein Strommeßmodul zur Messung des Motorstromes verwenden, sind kostenintensiv und aufgrund des benötigten Platzes für das Strommeßmodul für Anwendungen in räumlich begrenzten Umgebungen ungeeignet.

Es besteht daher insbesondere die Aufgabe, ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie eine Vorrichtung zur Messung des Motorstromes zu schaffen, womit die Leiterströme beziehungsweise Zuleitungsströme potentialfrei und ohne zusätzlichen Spannungsabfall im Motorstrom­ kreis ermittelt werden können. Desweiteren soll die entsprechende Meßvorrichtung kostengünstig sein.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht hinsichtlich des Verfahrens insbesondere darin, daß der magnetische Streufluß zwischen zwei jeweils benachbarten Stator-Hauptpolen gemessen wird und dieser, der Differenz der Phasenströme der jeweiligen benachbarten Stator-Hauptpole im wesentlichen proportionale Meßwert einer Auswertungseinrichtung zur Ermittlung des jeweiligen Zuleitungsstromes zugeführt wird.

Die Ströme in den Motorwicklungen der einzelnen Stator-Hauptpole erzeugen jeweils ein magnetischen Feld, das sich über den Rotor und die benachbarten Stator-Hauptpole erstreckt. In den Luftspalt­ bereichen, das heißt zwischen Stator und Rotor sowie zwischen benachbarten Stator-Hauptpolen treten magnetische Streuflüsse auf. Mittig zwischen zwei Stator-Hauptpolen tritt ein magnetischer Streufluß auf, der der Differenz des magnetischen Flusses dieser beiden Hauptpole entspricht. Magnetische Sättigungseffekte im Motor vernachlässigt, ist dieser Fluß proportional der Differenz der Ströme, die in den Motorwicklungen der beiden benachbarten Hauptpole fließen. Bei einem Drei-Phasen-Motor mit in Dreieck geschalteten Phasen entspricht dies dem zu messenden Zuleitungsstrom, so daß sich aus dem magnetischen Streufluß zwischen zwei benachbarten Stator-Hauptpolen der jeweilige Zuleitungsstrom direkt und ohne rechnerische Korrektur ermitteln läßt. Bei diesem Drei-Phasen-Motor in Dreieckschaltung kann durch Messung an nur zwei verschiedenen Stellen der Zuleitungsstrom aller drei Phasen bestimmt werden. Bei einem in Sternschaltung betriebenen Motor kann der jeweilige Zuleitungsstrom mittels der Auswerteeinrichtung aus den Meßwerten errechnet werden. Die Messung des magnetischen Streuflusses erfolgt potentialfrei und ohne zusätzliches Spannungsabfall im Motorstrom­ kreis, wodurch auch die Verlustleistung reduziert ist.

Entsprechend der Phasenzahl eines Motors sind Messungen der magnetischen Streuflüsse zwischen mehreren jeweils benachbarten Stator-Hauptpolen verschiedener Phasen erforderlich. Die so ermittelten Meßwerte werden dabei in der Auswertungseinrichtung zur Ermittlung des Motorstromes ausgewertet. Bei einem Fünf-Phasen- Motor ist beispielsweise die Messung des magnetischen Streuflusses an fünf verschiedenen Stellen erforderlich. Das so ermittelte Ausgangssignal der Auswertungseinrichtung kann beispielsweise einer Stromregelung zur Regelung des Motorstromes zugeführt werden.

Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zur Messung des Motorstromes elektrischer Motoren, deren Motorwicklungen auf diskreten Stator-Hauptpolen aufgebracht sind.

Die Vorrichtung weist dazu einen im wesentlichen zwischen zwei benachbarten Stator-Hauptpolen angeordneten magnetischen Sensor zur Messung des der Differenz der Phasenströme dieser Stator- Hauptpole im wesentlichen proportionalen magnetischen Streuflusses auf, welche(r) Sensor(en) mit einer Auswertungseinrichtung zur Ermittlung des jeweiligen Zuleitungsstromes anhand des gemessenen Streuflusses verbunden ist (sind). Dabei ergibt sich, wie bereits anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert, die Möglichkeit der indirekten Motorstrom- beziehungsweise Zuleitungsstrom-Messung. Außer den bereits vorerwähnten Vorteilen ist ein weiterer Vorteil der geringe Platzbedarf für die erfindungsgemäße Vorrichtung. Die Sensoren können innerhalb oder auch außerhalb des Motors angeordnet sein und benötigen daher bei einer Anordnung im Motor nach außen hin keinen zusätzlichen Platz. Bei Anordnungen, bei denen die Leistungselektronik zur Ansteuerung des Motors in der Nähe des Motors angeordnet oder direkt in dem Motorgehäuse integriert ist, sind nur kurze Zuleitungen zwischen den Sensoren bzw. der Auswertungsein­ richtung und der Leistungsansteuerung des Motors erforderlich. Gegebenenfalls kann die Auswertungseinrichtung in der Leistungs­ ansteuerung für den Motor integriert sein. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung des Motorstromes ist zudem kostengünstig realisierbar.

Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, daß als magnetischer Sensor jeweils ein magneto-resistiver Sensor vorgesehen ist. Der Sensor bildet vorzugsweise eine Wheatstone-Brücke, deren Ausgangs­ spannung abhängig ist von dem ihn durchsetzenden magnetischen Fluß, der wiederum, wie zuvor beschrieben, von dem zu messenden Phasenstrom beziehungsweise Zuleitungsstrom abhängig ist. Die dem Sensor nachgeordnete Auswertungseinrichtung zur Ermittlung des Motorstromes beziehungsweise des jeweiligen Leiterstromes oder Zuleitungsstromes kann beispielsweise einen Differenzverstärker aufweisen.

Es ist zweckmäßig, wenn der jeweilige Sensor in axialer Richtung des Motors etwa mittig und insbesondere jeweils zwischen zwei Rotor- Magnetsystemen angeordnet ist. Dadurch ist eine verringerte Beeinflussung der Strommessung durch das Magnetfeld des Rotors vorhanden, weil in diesem Bereich ein kleinerer magnetischer Streufluß der Rotor-Permanentmagnete vorhanden ist.

Eine Ausführungsform sieht vor, daß der jeweilige Sensor außerhalb des Motorgehäuses, vorzugsweise an dem Motorgehäuse, jeweils in axialer Verlängerung des Luftspaltbereiches zwischen zwei benachbarten Stator-Hauptpolen, angeordnet ist. Bei einem Motorgehäuse aus nicht ferromagnetischem Material, beispielsweise Aluminium, kann das magnetische Feld auch außerhalb des Motorgehäuses mit an der Außenseite des Motorgehäuses angeordneten Sensoren gemessen werden, um auf die vorbeschriebene Art aus diesen Meßwerten die Zuleitungsströme zu ermitteln. Eine solche Anordnung der Sensoren außerhalb des Motorgehäuses bietet sich insbesondere bei kleinen Motoren an, bei denen eine Anordnung der Sensoren im Inneren des Motors problematisch ist. Zudem ist die Montage der Sensoren an der Außenseite des Motorgehäuses vereinfacht. Es kann auch die Auswertungseinrichtung im Bereich der Sensoren angeordnet werden beziehungsweise die Auswertungseinrichtung kann mit den Sensoren eine gemeinsame Einheit bilden, die mechanisch einfach an dem Motorgehäuse montierbar ist.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt schematisch einen Blechschnitt eines Drei- Phasen-Schrittmotors mit zwei jeweils zwischen zwei Stator-Hauptpolen angeordneten magnetischen Sensoren und einer mit dem Sensor verbundenen Auswertungseinrichtung.

Ein im ganzen mit 1 bezeichneter, schematisch dargestellter elektrischer Schrittmotor weist einen Stator 2 mit neun Stator- Hauptpolen 3 sowie einen Rotor 4 auf. Der Motor 1 ist als Drei- Phasen-Motor ausgelegt, dessen drei Phasen im Dreieck miteinander geschaltet sind. Auf den diskreten Stator-Hauptpolen 3 sind die Motorwicklungen 5 aufgebracht. Durch den die Motorwicklungen 5 durchfließenden Strom wird ein Magnetfeld erzeugt, das in der Figur durch die magnetischen Feldlinien 6 angedeutet ist. Mittig zwischen zwei benachbarten Stator-Hauptpolen 3 tritt ein magnetischer Streufluß auf, der der Differenz des magnetischen Flusses dieser benachbarten Stator-Hauptpole 3 entspricht. Dieser Fluß ist im wesentlichen proportional der Differenz der Ströme, die in den Motorwicklungen 5 der beiden benachbarten Stator-Hauptpole 3 fließen. Bei dem dargestellten Motor mit drei im Dreieck geschalteten Phasen ist der Streufluß zwischen den benachbarten Stator-Hauptpolen 3 somit proportional dem zu messenden Leiterstrom.

Zur Messung des magnetischen Streuflusses zwischen zwei benachbarten Stator-Hauptpolen 3 ist mittig zwischen jeweils zwei Stator- Hauptpolen 3 ein magnetischer Sensor 7 angeordnet. Die magnetischen Sensoren 7 sind mit einer Auswertungseinrichtung 8 zur Ermittlung des jeweiligen Leiterstromes beziehungsweise Zuleitungsstromes anhand des gemessenen magnetischen Streuflusses verbunden. Der Ausgang 9 der Auswertungseinrichtung kann beispielsweise zur Regelung des Motorstromes mit der Leistungsansteuerung des Motors 1 verbunden sein.

Die magnetischen Sensoren 7 sind magneto-resistive Sensoren, deren elektrischer Widerstand jeweils abhängig von dem sie durchfließenden magnetischen Fluß ist. Aufgrund der kleinen Bauform der magnetischen Sensoren 7 können diese direkt jeweils zwischen zwei benachbarten Stator-Hauptpolen 3 angeordnet werden. Durch die indirekte Ermittlung des Motorstromes über die Messung des magnetischen Streuflusses beziehungsweise den elektrischen Widerstand der Sensoren erfolgt diese Messung potentialfrei und im Motorstromkreis entsteht kein zusätzlicher Spannungsabfall. Die Verlustleistung in dem Meßstrom­ kreis ist gering. Zudem kann die Vorrichtung zur Messung des Motorstromes mit den magnetischen Sensoren 7 und der Auswertungsein­ richtung 8 kostengünstig realisiert werden.

Bei dem in der Figur dargestellten Motor 1 mit drei in Dreieck geschalteten Phasen genügen zwei jeweils zwischen zwei benachbarten Stator-Hauptpolen 3 angeordnete magnetische Sensoren 7 zur Ermittlung aller drei Leiterströme beziehungsweise Zuleitungsströme. Für Motoren mit höherer Phasenzahl oder auch bei einem Zwei-Phasen-Motor sind entsprechend der Phasenzahl eine entsprechende Anzahl von magnetischen Sensoren erforderlich, die jeweils zwischen zwei benachbarten Stator-Hauptpolen verschiedener Phasenstränge angeordnet sind. Anhand der Meßwerte der einzelnen magnetischen Sensoren können mit der Auswertungseinrichtung die jeweiligen zu messenden Leiterströme beziehungsweise Zuleitungsströme ermittelt werden.

Claims (5)

1. Verfahren zur Messung des Motorstromes elektrischer Motoren (1), deren Motorwicklungen (5) auf diskreten Stator-Hauptpolen (3) aufgebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Streufluß zwischen zwei jeweils benachbarten Stator-Hauptpolen (3) gemessen wird und daß dieser der Differenz der Phasenströme der jeweiligen benachbarten Stator- Hauptpole (3) im wesentlichen proportionale Meßwert einer Auswertungseinrichtung (8) zur Ermittlung des jeweiligen Zuleitungsstromes zugeführt wird.

2. Vorrichtung zur Messung des Motorstromes elektrischer Motoren (1), deren Motorwicklungen (5) auf diskreten Stator-Hauptpolen (3) aufgebracht sind, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein im wesentlichen zwischen zwei benachbarten Stator-Hauptpolen (3) angeordneter magnetischer Sensor (7) zur Messung des der Differenz der Phasenströme dieser Stator-Hauptpole (3) im wesentlichen proportionalen magnetischen Streuflusses vorgesehen ist, welcher Sensor (7) mit einer Auswertungsein­ richtung (8) zur Ermittlung des Motorstromes anhand des gemessenen Streuflusses verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als magnetischer Sensor (7) jeweils ein magneto-resistiver Sensor vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Sensor (7) in axialer Richtung des Motors etwa mittig und insbesondere jeweils zwischen zwei Rotor- Magnetsystemen angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (7) außerhalb des Motor­ gehäuses, vorzugsweise an dem Motorgehäuse, jeweils in etwa axialer Verlängerung des Luftspaltbereiches zwischen zwei benachbarten Stator-Hauptpolen (3), angeordnet sind.