DE3732956A1 - Anordnung zum betreiben eines synchronmotors an einem gleichspannungsnetz - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung zum Betreiben eines einen Stator mit Ankerwicklung und einen Permanentmagnet-Rotor aufweisenden Synchronmotors an einem Gleichspannungsnetz, insbesondere an Gleichspannungsnetzen von Kraftfahrzeugen, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.

Der wachsende Bedarf an Kleinstantrieben im Haushalt, Kraftfahrzeug und im industriellen Bereich hat ein verstärktes Interesse an neuen Antriebskonzepten zur Folge. Die permanentmagnetisch erregten Motoren treten dabei immer stärker in den Vordergrund, wobei ein besonderes Interesse den Einphasen-Synchronmotoren gilt.

Bekannte Einphasen-Synchronmotoren (H.-J. Plaumann, "Zweipoliger Einphasen-Synchronmotor", Feinwerktechnik & Meßtechnik 93, (1985) 3, Seite 145-147) werden üblicherweise an Wechselspannungsnetzen betrieben und zeichnen sich durch eine einfache, wenig störanfällige Bauweise aus, da sie ohne Bürsten oder Schleifringe auskommen.

Es sind auch schon kleine elektrisch kommutierte Synchronmotoren bekannt, die an einem Gleichspannungsnetz betrieben werden und über die gleichen Eigenschaften verfügen. Diese Synchronmotoren enthalten Logikschaltungen, die Stromventile zum An- und Abschalten einzelner Wicklungszweige einer immer mehrphasigen Ankerwicklung folgerichtig, d.h. entsprechend der momentanen Drehstellung des Rotors, ansteuern. Die Drehstellung des Rotors wird entweder von einem Drehstellungsgeber sensiert oder von Spannungskomparatoren abgenommen, welche die Spannung in zyklisch aufeinanderfolgenden Wicklungsphasen der Ankerwicklung vergleichen (DE-OS 30 42 819). Diese elektrisch kommutierten Synchronmotoren sind schaltungstechnisch relativ aufwendig.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß sie das Betreiben von Einphasen-Synchronmotoren an einem Gleichspannungsnetz möglich macht. Sie ist ebenso wie der konstruktive Aufbau eines Einphasen-Synchronmotors durch Einfachheit und Möglichkeit der preiswerten Realisierung gekennzeichnet. Sie eignet sich dabei gleich gut für bipolare und unipolare Einphasenwicklungen, wobei gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung die Verstärker im ersten Fall als Push-Pull-Operationsverstärker und im zweiten Fall als einfache Leistungstransistoren ausgebildet werden können.

Als Magnetfeldsensor können entweder Hallelemente oder magnetfeldstärkenabhängige Widerstände verwendet werden. Hallelemente enthalten in bekannter Weise Kristalle, welche von einem Steuerstrom durchflossen werden und an den Hallelektroden im Falle eines das Kristall durchdringenden Magnetfeldes eine Signalspannung erzeugen, die dem Kreuzprodukt aus Stromstärke und Feldstärke proportional ist. Als integrierte Bausteine geben die Hallelemente eine konstante, positive oder negative Spannung ab, sobald die Feldstärke des sie durchdringenden Magnetfeldes einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildung und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Schaltungsanordnung möglich, wobei sich der in Anspruch 5 angegebene Einphasen-Synchronmotor durch besondere fertigungstechnische Einfachheit auszeichnet.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung eines Einphasen-Synchronmotors mit Permanentmagnetrotor bekannter Bauart,

Fig. 2 ein Schaltbild der Schaltungsanordnung zum Betreiben des Einphasen-Synchronmotors gemäß Fig. 1 an einem Gleichspannungsnetz.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Der in Fig. 1 schematisch und in perspektivischer Ansicht dargestellte bekannte zweipolige Einphasen-Synchronmotor besteht im wesentlichen aus drei Teilen, dem Permanentmagnet-Rotor 10, dem Stator 11 und der auf dem Stator 11 sitzenden Ankerwicklung 12. Alle Teile werden getrennt hergestellt und anschließend zusammengebaut. Der etwa hufeisenförmige Stator 11, auch Ständerblechpaket genannt, ist zur Verringerung der Wirbelstromverluste geblecht, wobei alle Bleche den gleichen Schnitt haben. Im Ständerblechpaket 11 können zwei Schenkel 13 und 14 definiert werden, die über einen Quersteg 15 miteinander verbunden sind. An den freien Enden sind die Schenkel 13, 14 auf einander zugekehrten Schenkelinnenflächen mit ausgeformten Bogenflächen 16, 17 versehen, zwischen denen der Rotor 10 unter Belassung jeweils eines Luftspaltes 18 bzw. 19 angeordnet ist. Die Ankerwicklung 12 ist aus fertigungstechnischen Gründen auf zwei Spulenkörpern 20, 21 untergebracht, von denen jeweils ein Spulenkörper 20, 21 einen der beiden Schenkel 13, 14 umschließt. Der solchermaßen aufgebaute Einphasen-Synchronmotor ist bekannt und wird üblicherweise an einem Wechselspannungsnetz betrieben.

Um diesen Einphasen-Synchronmotor an einem Gleichspannungsnetz betreiben zu können, ist die in Fig. 2 im Schaltbild dargestellte Schaltungsanordnung erforderlich. Diese Schaltunganordnung weist einen die Drehstellung des Rotors 10 sensierenden Drehstellungsgeber 22 und eine elektrische Kommutierungsschaltung 23 zum drehstellungsabhängigen Umschalten des Stromflusses in der Ankerwicklung 12 auf. Der Drehstellungsgeber 22 ist als Magnetfeldsensor ausgebildet, hier als Hallelement 24, das an oder nahe einem der Luftspalte 18, 19 angeordnet ist, und zwar auf der bezüglich der Rotordrehrichtung ablaufenden Luftspaltseite. In Fig. 1 ist die Anordnung des nicht zu sehenden Hallelements 24 durch einen Pfeil angedeutet. Es liegt in der zwischen den Schenkeln 13, 14 verbleibenden Lücke des Ständerblechpakets 11 an der bezüglich des rechtsdrehenden Rotors 10 ablaufenden Kante 25 der Bogenfläche 16. Das als integrierter Baustein ausgebildete Hallelement 24 gibt in bekannter Weise an seinen Hallelektroden eine Steuerspannung ab, wenn die Feldstärke des Magnetfeldes einen vorgegebenen Wert übersteigt. Da das das Hallelement 24 durchsetzende Magnetfeld beim Drehen des Rotors 10 ständig seine Richtung ändert, treten am Ausgang des Hallelements 24 abwechselnd positive und negative Steuerimpulse auf.

Die elektrische Kommutierungsschaltung 23 wird von zwei im Gegentakt betriebenen Verstärkern 26, 27 gebildet, deren Ausgänge an jeweils einem Ende der einphasigen Ankerwicklung 12 angeschlossen sind und deren Steuereingänge mit dem Ausgang des Hallelements 24 verbunden sind. In dem in Fig. 2 angenommenen Fall einer bipolaren Ankerwicklung 12, also einer solchen Ankerwicklung, die wechselweise in entgegensetzter Richtung durchflossen werden kann, werden als Verstärker 26, 27 bipolare Operationsverstärker 28, 29, sog. Push-Pull-Operationsverstärker, verwendet, deren eine Eingänge mit dem Ausgang des Hallelements 24 verbunden sind und deren andere Eingänge mit einer Referenzspannung belegt sind. Die Referenzspannung wird an einem Spannungsabgriff 30 eines aus den Widerständen 31, 32 bestehenden Spannungsteilers abgenommen, der parallel an dem Eingang 33 der Schaltungsanordnung angeschlossen ist. Der Spannungsabgriff 30 ist dabei mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 28 und mit dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 29 oder umgekehrt verbunden. Der Ausgang des Hallelements 24 ist einerseits an dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 28 und andererseits an dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 29 angeschlossen oder umgekehrt. Der Eingang 33 der Schaltungsanordnung wird an ein Gleichspannungsnetz gelegt, das hier durch eine Gleichspannungsquelle 34 symbolisiert ist. An die Wicklungsenden der Ankerwicklung 12 sind noch Freilaufdioden 35, 36 angeschlossen. Der Einphasen- Synchronmotor ist in Fig. 2 mit 40 gekennzeichnet.

Beim Betrieb des Synchronmotors 40 wird je nach Drehstellung des Rotors 10 am Ausgang des Hallelements 24 ein positiver oder negativer Steuerspannungsimpuls auftreten. Während des Auftretens des Steuerspannungsimpulses werden jeweils abwechselnd die beiden Operationsverstärker 28 und 29 nach Plus- und Nullpotential durchgeschaltet, so daß der Stromfluß einmal vom Operationsverstärker 28 zum Operationsverstärker 29 und darauffolgend vom Operationsverstärker 29 zum Operationsverstärker 28 gerichtet ist. Die Ankerwicklung 12 des Synchronmotors 40 wird damit wechselweise von dem Strom durchflossen und der Rotor 10 des Synchronmotors 40 dreht sich synchron mit dem umlaufenden Magnetfeld.

Ist die Ankerwicklung 12 des Einphasen-Synchronmotors unipolar, so trägt diese eine Mittelanzapfung, die mit dem Nullpotential verbunden ist. In diesem Fall werden als Verstärker 26, 27 elektronische Schalter, vorzugsweise Leistungstransistoren eingesetzt. Die Basis des einen Transistors ist direkt, die andere über einen weiteren invertierenden Transistor mit dem Ausgang des Hallelements 24 verbunden.

Anstelle der zweipoligen Ausführung kann der Einphasen-Synchronmotor auch mit einer beliebigen geradzahligen Anzahl von Polen realisiert werden.

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung zum Betreiben eines einen Stator mit Ankerwicklung und einen Permanentmagnet-Rotor aufweisenden Synchronmotors an einem Gleichspannungsnetz, insbesondere an Gleichspannungsnetzen von Kraftfahrzeugen, mit einem die Drehstellung des Rotors sensierenden Drehstellungsgeber und einer elektrischen Kommutierungsschaltung zum drehstellungsabhängigen Umschalten des Stromflusses in der Ankerwicklung, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehstellungsgeber (22) als Magnetfeldsensor, vorzugsweise als Hallelement (25), ausgebildet ist und die Kommutierungsschaltung (23) aus zwei im Gegentakt betriebenen Verstärkern (26, 27) besteht, deren Ausgänge an jeweils einem Ende der einphasigen Ankerwicklung (12) und deren Steuereingänge mit dem Ausgang des Magnetfeldsensors (25) verbunden sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 für einen Synchronmotor mit einer bipolaren Ankerwicklung, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärker (26, 27) als bipolare Operationsverstärker, sog. Push-Pull- Operationsverstärker (28, 29), ausgebildet sind, deren Eingänge einerseits mit dem Ausgang des Magnetfeldsensors (25) verbunden und andererseits mit einer Referenzspannung belegt sind.

3. Schaltungsanordnung für einen Synchronmotor mit unipolarer Ankerwicklung, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärker (26, 27) als elektronische Schalter, vorzugsweise als Transistoren des npn- und des pnp-Typs, ausgebildet sind, deren Steuereingänge mit dem Ausgang des Magnetfeldsensors (24) verbunden sind.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeldsensor (24) an oder nahe einem der zwischen Rotor (10) und dem Stator (11) gebildeten Luftspalte (16, 17) auf der bezüglich der Rotordrehrichtung ablaufenden Luftspaltseite angeordnet ist.

5. Einphasen-Synchronmotor mit einem etwa hufeisenförmigen, mindestens eine Wicklungsspule tragenden Ständerblechpaket, das zwei durch einen Quersteg verbundene Schenkel mit an ihren freien Enden auf einander zugekehrten Schenkelinnenflächen ausgeformte Bogenflächen aufweist, zwischen denen der Rotor unter Belassung jeweils eines Luftspaltes angeordnet ist, und mit einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1- 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeldsensor, vorzugsweise das Hallelement (24), in der zwischen den Schenkeln (13, 14) verbleibenden Lücke des Ständerblechpakets (11) an der bezüglich der Rotordrehrichtung ablaufenden Kante (25) einer der Bogenflächen (16) angeordnet ist.