DE202004007876U1

DE202004007876U1 - Elektromotor

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Publication number: DE202004007876U1
Application number: DE202004007876U
Authority: DE
Original assignee: Elero GmbH
Current assignee: Elero GmbH
Priority date: 2004-05-15
Filing date: 2004-05-15
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2014-05-16

Abstract

Elektromotor in Form eines bürstenlosen Permanentmagnet-Axialfluss-Motors, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Bestandteil einer Antriebsvorrichtung (1) für ein Stellsystem (2) ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein derartiger Elektromotor, der als bürstenloser Permanentmagnet-Axialfluss-Motor, im Folgenden Axialfeldmotor genannt, ausgebildet ist, ist aus der EP 1 153 469 B1 bekannt.
Dieser Axialfeldmotor ist dadurch gekennzeichnet, dass jeweils Paare von in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden, am spulenzugewandten freien Ende jeweils mit einer Polfläche unterschiedlicher Polarität versehenen Schenkeln der in den beiden gegenüberliegenden äußeren Läuferscheiben vorgesehenen Permanentmagneten in den polflächenabgewandten Endbereichen durch jeweils ein das Magnetfeld weitgehend einschließendes Joch aus weich- oder hartmagnetischem Material miteinander verbunden sind, dass die Läuferscheiben durch radial verlaufende, den Hohlraum zwischen den Läuferscheiben in eine Anzahl von in Umfangsrichtung zueinander versetzte, zu den Elektromagnet-Bauelementen hin offene Kammern bildende radial verlaufende Wände miteinander verbunden sind, und dass die in den Läuferscheiben vorgesehenen radial inneren Durchlassöffnungen jeweils in den Kammern des Rotors münden. Die den mittig zwischen beiden Läuferscheiben angeordneten und somit zweckmäßig an der Umfangswandung des Gehäuses des Axialfeldmotors starr befestigten Elektromagnet-Bauelemente zugeordneten Permanent-Magneten sind durch die jeweils zwei in Umfangsrichtung aufeinanderfolgende Einzelmagneten verbindenden Joche nach Art von Hufeisen-Magneten aus gebildet, wodurch ein Aufbau des Motors erreicht wird, bei dem das magnetische Feld der Permanent-Magneten weitestgehend innerhalb des magnetischen Materials der durch das Joch verbundenen Permanent-Magneten der Spulenkerne eingeschlossen gehalten wird, so dass lediglich in den schmalen Luftspalt zwischen den Stirnflächen der Spulenkerne der Elektromagnet-Bauelemente und den Polflächen der Elektromagneten ein geringes magnetisches Streufeld entstehen kann. Verluste des in den elektromagnetischen Bauelementen erzeugten magnetischen Drehfelds sind somit minimiert.
Erfindungsgemäß wird der Axialfeldmotor als Antrieb in einem Stellsystem eingesetzt.
Das so ausgebildete Stellsystem kann besonders rationell und wirtschaftlich betrieben werden.
Besonders vorteilhafte Ausführungsformen des Stellsystems 2 sind in den Ansprüchen 2 und 3 beschrieben.
Eine besonders vorteilhafte Ansteuerung direkt über eine Netzspannung, die vorzugsweise 230 V beträgt, ist in den Ansprüchen 4 und 5 beschrieben. Da hierbei auf eine Leistungselektronik zur Ansteuerung des Axialfeldmotors verzichtet werden kann, weist das so ausgebildete Stellsystem einen besonders einfachen und kostengünstigen Aufbau auf.
Mit den Ansteuerungen des Axialfeldmotors gemäß den in den Ansprüchen 6 – 8 kann ein besonders energiesparender Betrieb des Stellsystems erzielt werden. Dabei erfolgt generell die phasenempfindliche Zuschaltung der Versorgungsspannung in Abhängigkeit der Drehzahl des Axialfeldmotors.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird der Axialfeldmotor zusätzlich als Komponente eines Hysteresebremssystems genutzt.
Das Prinzip einer Hysteresebremse besteht darin, einen Magneten, der vorzugsweise mehrpolig magnetisiert ist, und ein oder mehrere Bremselemente mit einer an den Magneten angepassten Form aus einem Hysteresewerkstoff einander anzunähern. Wenn einer der beiden Teile der Hysteresebremse – der Magnet oder das Bremselement aus dem Hysteresewerkstoff – rotiert, wird bei Annäherung an den anderen Teil eine Bremswirkung auf die Rotation ausgeübt, weil der Hysteresewerkstoff ein unmagnetisierter Dauermagnetwerkstoff mit hoher Remmanenz- aber geringer Koerzitivfeldstärke ist.
Zur Ausbildung einer Hysteresebremse können bei dem Axialfeldmotor dessen Magnetsegmente, die zweckmäßigerweise hierzu in geeigneter Weise verlängert sind, mit einem Hystereseband, welches die Magnetsegmente ringförmig umgibt, zusammenwirken.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist der Axialfeldmotor zwei Wellenenden auf, die jeweils an einer Stirnseite des Axialfeldmotors ausmünden. Aufgrund der kurzen Bauform des Axialfeldmotors können zur Erzielung einer weiteren Platzersparnis an beide Wellenenden des Axialfeldmotors direkt Komponenten des Stellsystems angeschlossen werden. Beispielsweise kann an das Wellenende an der Abtriebsseite des Axialfeldmotors ein Getriebe und am anderen Wellenende ein Endschalter angeschlossen werden.
Die Erfindung wird im Nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1a: Blockschaltbild einer Antriebsvorrichtung für ein Stellsystem.
1b: Schematische Darstellung eines Axialfeldmotors als Antrieb für das Stellsystem gemäß 1a.
2: Schematische Darstellung der Komponenten zur Ansteuerung des Antriebs für eine Antriebsvorrichtung gemäß 1a.
3a–3c: Verschiedene Ausführungsformen einer phasensensitiven Ansteuerung des Antriebs gemäß 2.
1a zeigt schematisch eine Antriebsvorrichtung 1 für ein Stellsystem 2. Das Stellsystem 2 ist im vorliegenden Fall von einem Rollladen gebildet, der zwischen einer oberen Endposition A und einer unteren Endposition B längs eines Fahrweges verfahrbar ist.
Die Antriebsvorrichtung 1 weist einen als Elektromotor ausgebildeten Antrieb 3 auf.
Der Antrieb 3 ist über ein Getriebe 4 an das Stellsystem 2 gekoppelt, mittels dessen die vom Antrieb 3 erzeugte Rotationsbewegung einer Antriebswelle in eine Hubbewegung des Stellsystems 2 umgesetzt wird.
Zwischen dem Antrieb 3 und dem Getriebe 4 ist eine Bremse 5 zur Abbremsung der Hubbewegung des Stellsystems 2 vorgesehen. Prinzipiell kann die Bremse 5 auch dem Getriebe 4 nachgeordnet sein. Im vorliegenden Fall wird eine berührungslos arbeitende Bremse 5 wie zum Beispiel eine Wirbelstrombremse, eine Hysteresebremse, eine Gegenstrombremse oder eine Flüssigkeitsbremse eingesetzt. Prinzipiell kann auch eine Federkraftbremse oder dergleichen eingesetzt werden.
Der in 1b dargestellte Antrieb 3 des Stellsystems 2 ist als Axialfeldmotor ausgebildet, dessen Aufbau in der EP 1 153 469 B1 detailliert erläutert ist.
Der Axialfeldmotor ist in einem Gehäuse 31 integriert und weist einen Stator 32 auf, bestehend aus einer Anzahl von Spulen mit Eisenkern. Weiterhin sind beidseits des Stators 32 zwei scheibenförmige Rotoren 33 vorgesehen.
Aus dem Gehäuse 31 ist eine Welle 34 geführt, an welche direkt das Getriebe 4 anschließbar ist. Am anderen Ende des Motors befindet sich ein Anschluss 35, über welchen gegebenenfalls auch eine Welle 34 aus dem Motor herausgeführt werden kann.
2 zeigt schematisch die Schaltungsanordnung zur Ansteuerung des Antriebs 3 der Antriebsvorrichtung 1 gemäß 1a, 1b. Die Spulen des den Antrieb 3 bildenden Axialfeldmotors sind derart zusammengeschaltet, dass diese zwei Induktivitäten bilden, die als Motorwicklungen 6, 7 in 2 dargestellt sind. Die Motorwicklungen 6, 7 sind über einen Motorkondensator 8 gekoppelt.
Weiterhin weist der Antrieb 3 einen Motorthermostat 9 auf. Schließlich weist der Antrieb 3 drei Motoranschlüsse 10, 11, 12 auf, über welche dieser an die Steuerungskomponenten und an eine als Wechselspannung ausgebildete Versorgungsspannung angeschlossen ist.
Die Motoranschlüsse 10, 11, 12 stehen mit Zuleitungsanschlüssen 13, 14, 15 einer Zuleitung in Verbindung, an welche eine Stromversorgungseinrichtung 16 angeschlossen ist.
Die Zuleitung mit den Zuleitungsanschlüssen 13, 14, 15 stellt die notwendigen Ströme für einen Rechts- und Linkslauf des Antriebs 3 zur Verfügung, mit welchen eine Auf- oder Abwärtsbewegung des Stellsystems 2 durchgeführt wird.
Zur Steuerung des Antriebs 3 ist eine Steuereinheit 17 vorgesehen, welche von einem Mikroprozessor mit einer integrierten Speichereinheit gebildet ist. Weiterhin sind Schaltmittel 18 zur Ansteuerung des Antriebs 3 vorgesehen. Die Steuereinheit 17 und die Schaltmittel 18 sind über entsprechende Leitungen an die Stromversorgungseinheit 16 angeschlossen.
Die von der Steuereinheit 17 angesteuerten Schaltmittel 18 weisen im vorliegenden Fall zwei Schalter bildende Leistungshalbleiter 19, 20 auf, wobei je weils ein Schalter an einen der zu einer Motorwicklung 6, 7 des Antriebs 3 führenden Motoranschlüsse 10, 11 angeschlossen ist. Von diesen beiden Motoranschlüssen 10, 11 führen zudem Leitungen auf eine Phasenmesseinrichtung 21, welche an die Steuereinheit 17 angeschlossen ist. Prinzipiell können die Schaltmittel 18 auch nur einen Schalter aufweisen.
Mit der Phasenmesseinrichtung 21 wird die Phasendifferenz der durch die Motorwicklungen 6, 7 des Antriebs 3 fließenden Ströme erfasst. Diese Phasenverschiebung wird in der Steuereinheit 17 zur Ermittlung der aktuellen Drehzahl des Antriebs 3 verwendet.
Mit der Phasenmesseinrichtung 21 erfolgt somit eine sensorlose Erfassung der Drehzahl des Antriebs 3.
Alternativ können auch andere sensorlose Systeme eingesetzt werden. Beispielsweise können in der Antriebsvorrichtung 1 vorgesehene Positioniersysteme zur Drehzahlbestimmung des Antriebs 3 verwendet werden. Zur Positionsbestimmung des Antriebs 3 und damit des Stellsystems 2 werden üblicherweise Impulszählverfahren eingesetzt. Die Antriebsbewegung des Antriebs 3 wird durch Zählen periodischer Pulse in der Steuereinheit 17 erfasst. Durch die Registrierung der Periodendauer der Zählimpulsen wird ein Maß für die Drehzahl des Antriebs 3 erhalten.
Die Funktionsweise der Schaltungsanordnung gemäß 2 wird im Folgenden anhand der 3a–3c erläutert, die unterschiedliche Möglichkeiten der Ansteuerung des Antriebs 3 zeigen.
Generell erfolgt die Ansteuerung des Antriebs 3 in Abhängigkeit der Drehzahl des Antriebs 3, die wiederum ein Maß für die aktuelle Drehmomentbelastung des Antriebs 3 liefert.
Im vorliegenden Fall erfolgt ein drehzahlgeregelter Betrieb des Antriebs 3, wobei die Phasenmesseinrichtung 21 die Drehzahl-Istwerte für die in der Steuereinheit 17 durchgeführte Drehzahlregelung liefert. Alternativ kann eine Steuerung des Antriebs 3 in Abhängigkeit einer in der Steuereinheit 17 abgespeicherten Kennlinie erfolgen. Hierbei wird der Umstand ausgenutzt, dass der das Stellsystem 2 bildende Rollladen zwischen den Endpositionen A und B längs eines definierten Fahrweges verfahren wird. In einem Einlernvorgang kann die Drehmomentenbelastung, das heißt die Drehzahl des Antriebs 3 über den Fahrweg ermittelt und als Kennlinie abgespeichert werden. Während des Betriebs des Stellsystems 2 erfolgt dann die Steuerung des Antriebs 3 in Abhängigkeit dieser Kennlinie.
Die drehzahlabhängige Ansteuerung des Antriebs 3 erfolgt derart, dass die Energiezufuhr an die aktuelle Drehzahlbelastung angepasst wird. Hierzu werden über die Steuereinheit 17 in Abhängigkeit der aktuellen Drehzahlwerte die Schaltmittel 18 derart angesteuert, dass eine phasensensitive Zuschaltung der Versorgungsspannung auf den Antrieb 3 erfolgt. Das bedeutet, dass über einer Periode der Versorgungsspannung diese nur während definierte Teilintervalle auf den Antrieb 3 geschaltet wird.
3a zeigt als erstes Beispiel dieser phasenempfindlichen Ansteuerung eine Phasenanschnittssteuerung des Antriebs 3. Bei dieser Ansteuerung sind zu Beginn jeder Halbperiode in 3a dargestellten und mit V bezeichneten sinusförmigen Versorgungsspannung die Schaltmittel 18 so geschaltet, dass der Antrieb 3 von der Versorgungsspannung getrennt ist. Erst ab den mit t₁ und t₂ bezeichneten Zeitpunkten werden die Schaltmittel 18 umgeschaltet, so dass dann der Antrieb 3 mit der Versorgungsspannung gespeist wird. Durch die Variation der Schaltzeitpunkte t₁ und t₂ innerhalb der Halbwellen der Versorgungsspannung kann die Energiezufuhr des Antriebs 3 definiert verändert werden.
Bei einer Phasenanschnittssteuerung gemäß 3a weisen die Schaltmittel 18 als Leistungshalbleiter 19, 20 insbesondere Triacs auf.
3b zeigt als zweites Beispiel einer phasensensitiven Ansteuerung eine Phasenabschnittssteuerung des Antriebs 3. In diesem Fall wird innerhalb der ersten Halbwellen der sinusförmigen Versorgungsspannung über die Schaltmittel 18 bis zu einem Zeitpunkt t₃ der Antrieb 3 mit der Versorgungsspannung gespeist. Zum Zeitpunkt t₃ werden die Schaltmittel 18 derart betätigt, so dass durch den Phasenabschnitt dann für den Rest der Halbwelle keine Energiezufuhr zum Antrieb 3 mehr erfolgt. Dasselbe gilt für die zweiten Halbwellen, wobei hier wie in 3b dargestellt der entsprechende Schaltzeitpunkt mit t₄ bezeichnet ist.
Auch hier kann durch eine geeignete Wahl der Schaltzeitpunkte t₃ und t₄ die Energiezufuhr des Antriebs 3 in definierter Weise eingestellt werden.
Bei einer Phasenabschnittssteuerung gemäß 3b weisen die Schaltmittel 18 als Leistungshalbleiter 19, 20 Leistungstransistoren wie zum Beispiel IGBT oder CoolMOS, das heißt spezielle MOSFET-Transistoren auf.
Diese Leistungshalbleiter 19, 20 eignen sich auch zur Durchführung der in 3c dargestellten Pulsweitenmodulationssteuerung.
In diesem Fall wird über eine Periode der sinusförmigen Netzspannung durch entsprechende Taktung der Schaltmittel 18 eine gepulste Zufuhr der Netzspannung auf den Antrieb 3 bewirkt. Die Pulsweiten der Pulse werden über die Steuereinheit 17 moduliert, wodurch die Zeitdauer innerhalb einer Periode der Versorgungsspannung, über welche die Versorgungsspannung dem Antrieb 3 zugeführt wird, einstellbar ist.
Durch die phasenempfindliche Ansteuerung des Antriebs 3 gemäß den Ausführungsformen gemäß den 3a–3c wird dessen Energiezufuhr schnell und präzise an die aktuelle Drehmomentenbelastung angepasst.
Bei dem von dem Rollladen gebildeten Stellsystem 2 gemäß 1 ist die Drehmomentenbelastung des Antriebs 3 bei der Anfahrt des Stellsystems 2 aus einer Endposition A oder B maximal. Hier werden vorzugsweise während der gesamten Periode der Versorgungsspannung die Schaltmittel 18 derart eingeschaltet, dass der Antrieb 3 mit der Versorgungsspannung gespeist wird.
Während der darauffolgenden Bewegung des Stellsystems 2 entlang des Fahrweges ist die Drehmomentenbelastung des Antriebs 3 geringer, so dass durch eine geeignete Steuerung der Schaltmittel 18 die Energiezufuhr reduziert werden kann. Durch die hierbei eingesetzte phasensensitive Ansteuerung des Antriebs 3 gemäß den 3a–3c kann die dem Antrieb 3 zugeführte Energie auch plötzlich und stark reduziert werden. Herkömmliche Federkraftbremsen können dieser raschen Änderung nur unzureichend folgen, was ein Abfallen und Flattern der Bremse 5 zur Folge hat. Dies führt insbesondere auch zu unerwünschten Brummgeräuschen. Derartige Schwierigkeiten treffen bei berührungslos arbeitenden Bremsen 5 nicht auf, so dass diese bevorzugt eingesetzt werden.
Für den Fall, dass für die Antriebsvorrichtung 1 Federkraftbremsen eingesetzt werden, eignet sich insbesondere die Phasenabschnittssteuerung gemäß 3b oder die Pulsweitenmodulationssteuerung gemäß 3c aufgrund des gegenüber der Ausführungsform gemäß 3a größeren Regelbereichs der Energiezufuhr.

1: Antriebsvorrichtung
2: Stellsystem
3: Antrieb
31: Gehäuse
32: Stator
33: Rotoren
34: Welle
35: Anschluss
4: Getriebe
5: Bremse
6: Motorwicklung
7: Motorwicklung
8: Motorkondensator
9: Motorthermostat
10: Motoranschluss
11: Motoranschluss
12: Motoranschluss
13: Zuleitungsanschluss
14: Zuleitungsanschluss
15: Zuleitungsanschluss
16: Stromversorgungseinrichtung
17: Steuereinheit
18: Schaltmittel
19: Leistungshalbleiter
20: Leistungshalbleiter
21: Phasenmesseinrichtung

Claims

Elektromotor in Form eines bürstenlosen Permanentmagnet-Axialfluss-Motors, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Bestandteil einer Antriebsvorrichtung (1) für ein Stellsystem (2) ist.
Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellsystem (2) von einem Tor, einer Markise, einer Jalousie, einem Rollladen, einem Innenrollo oder einem Screen gebildet ist.
Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellsystem (2) einen Schubspindelantrieb aufweist.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 – 3, dadurch gekennzeichnet, dass dieser direkt über eine Netzspannung ansteuerbar ist.
Elektromotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass dessen Spulen zu zwei Induktivitäten zusammengeschaltet sind, die über einen Kondensator zur Erzeugung eines Drehfelds an die Netzspannung anschließbar sind.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 – 5, dadurch gekennzeichnet, dass diesem Schaltmittel (18) zur Durchführung einer Phasenanschnittssteuerung zugeordnet sind.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 – 6, dadurch gekennzeichnet, dass diesem Schaltmittel (18) zur Durchführung einer Phasenabschnittssteuerung zugeordnet sind.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 – 6, dadurch gekennzeichnet, dass diesem Schaltmittel (18) zur Durchführung einer Pulsweitenmodulationssteuerung zugeordnet sind.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 – 8, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Bestandteil eines Hysteresebremssystems ist.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 – 9, dadurch gekennzeichnet, dass dieser zwei Wellenenden aufweist, wobei an ein erstes Wellenende ein Getriebe (4) und an das zweite Wellenende ein Endschalter anschließbar ist.