DE69124702T2

DE69124702T2 - Bürstenloser Gleichstrommotor ohne Positionssensor

Info

Publication number: DE69124702T2
Application number: DE69124702T
Authority: DE
Inventors: Yoshikazu Seiko Epson Corporation Nagano 392 Koike; Takashi Seiko Epson Corporation Nagano 392 Nagate; Kunio Seiko Epson Corporation Nagano 392 Tabata; Akihito Seiko Epson Corporation Nagano 392 Uetake
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1990-10-19
Filing date: 1991-10-18
Publication date: 1997-06-19
Anticipated expiration: 2011-10-19
Also published as: DE69131913T2; SG79989A1; DE69131913D1; EP0881761B1; EP0553354A1; KR100227599B1; WO1992007412A1; DE69124702D1; CA2093906A1; EP0671811A1; EP0671811B1; KR930701855A; EP0881761A1; DE69133373T2; EP0553354A4; DE69133373D1; EP0553354B1

Description

Technisches Gebiet:

Die vorliegende Erfindung betrifft einen bürstenlosen Gleichstrom-DC-Motor ohne einen Positionssensor, der eine elektromotorische Gegenkraft verwendet, die in auf einen Stator gewickelten Spulen erzeugt wird, wenn ein Rotor gedreht wird, um eine Positionserfassung von magnetischen Polen des Rotors durchzuführen, und insbesondere einen bürstenlosen DC-Motor ohne einen Positionssensor, bei dem der Rotor so konfiguriert ist, daß jeweilige sich drehende magnetische Poloberflächen des Rotors zu den inneren Endoberflächen der jeweiligen magnetischen Pole des Stators an vorgegebenen Umfangspunkten auf den jeweiligen sich drehenden magnetischen Poloberflächen und dadurch zu den Positionen der jeweiligen Pole des Rotors zu eng wie möglich zu liegen kommen. Ein derartiger bürstenloser DC-Motor wird von einer Steuereinrichtung angesteuert.

Stand der Technik:

Die JP-A-63 140 644 offenbart einen Rotor mit einem Permanentmagneten für eine elektrische Drehmaschine. In einem Rotor sind Feld-Permanentmagneten diametral longitudinal angeordnet und ihre jeweiligen Pole sind nicht auf einen Statorkern gerichtet. Die Feld-Permanentmagneten weisen eine vollständig rechteckförmige Gestalt auf.
Die US 3,124,733 offenbart einen Permanentmagneten-Motor, insbesondere für die Verwendung als einen Schrittmotor. Der Rotor besitzt Nord- und Südpole, die alternierend und mit einer Ausnehmung dazwischen auf seiner äußeren Oberfläche angeordnet sind. Die Rotorendoberfläche an den jeweiligen Nord- bzw. Südpolen weisen eine unsymetrische Form auf, die leicht in einer Richtung abgeschrägt ist. Jeder der Nord- bzw. Südpole liegen unter einer gegenüberliegenden Statorfeldspule auf dem Stator.
Die EP 0 044 087 zeigt eine elektrische Maschine, die von einem Permanentmagneten erregt wird. Hier sind eine Vielzahl von stationären Feldspulen auf einem Stator vorgesehen und eine Vielzahl von Feld-Permanentmagneten sind auf einer Drehwelle vorgesehen. Die Polschuhe weisen auf ihrer äußeren Oberfläche eine andere Krümmung als die Krümmung auf der Innenoberfläche des Stators auf.
US 3,860,843 zeigt eine Anordnung von Permanentmagneten auf einem Statorring und die Bereitstellung von Magnetfeldwicklungen auf einer Vielzahl von sich drehenden magnetischen Polen. Jede der sich drehenden magnetischen Poloberflächen weist eine unterschiedliche Krümmung gegenüber denjenigen auf, die von den Permanentmagneten auf dem äußeren Statorring gebildet sind. Jede sich drehende magnetische Poloberfläche liegt einem einzelnen Permanentmagneten auf dem äußeren Ring gegenüber.
US 4,573,003 offenbart eine AC-Maschine, die für einen Wandlerbetrieb optimiert ist. Eine Vielzahl von Statorwicklungen sind auf einem Statorring vorgesehen und ein Polrotor, der sich innerhalb des Rings dreht, weist unterschiedliche Abstände bezüglich der einzelnen Feldwicklungen auf, da er eine andere Krümmung als die Innenfläche des Feldwicklungsrings aufweist.
Nachstehend wird der zugrundeliegende Stand der Technik bezüglich bürstenloser DC-Motoren diskutiert.
Seit kurzem ist der bürstenlose DC-Motor in vielerlei Vorrichtungen und Geräten hinsichtlich seines hohen Wirkungsgrades und seiner Steuerbarkeit verwendet worden. Der bürstenlose DC-Motor weist die im wesentlichen gleiche Konstruktion wie der Synchronmotor auf, so daß der Positionsdetektor, beispielsweise das Hallelement, benötigt wurde, um eine Position des Rotors bei der Ansteuerung zu erfassen. Hinsichtlich des Trends zur Niniaturisierung war jedoch der Platz, der von einem derartigen Positionsdetektor belegt wird, ein schwerwiegendes Problem und dieses zeigte sich als ein wesentlicher Faktor, der eine gewünschte Miniaturisierung des Motors verhindert. Um ein derartiges Problem zu lösen, ist ein sogenannter Positionssensor-loser bürstenloser DC-Motor vor kurzem entwickelt und in der Praxis zur Verwendung umgesetzt worden.
Fig. 26 ist eine Teil-Querschnittsansicht, die einen herkömmlichen bürstenlosen DC-Motor ohne einen Positionssensor in einem vergrößerten Maßstab zeigt. Ein derartiger Positionssensor-loser bürstenloser DC-Motor 81 des Standes der Technik umfaßt einen Stator 82 und einen Rotor 83. Der Stator 82 umgibt den Motor 83, der von einer drehbaren Welle 86 drehbar gehaltert wird, und umfaßt eine Vielzahl von stationären magnetischen Polen 84, die nach innen weisen. Die jeweiligen stationären magnetischen Pole 84 tragen Spulen U, V, W (nicht gezeigt), die darauf gewickelt sind. Die stationären magnetischen Pole 84 werden in einer vorgegebenen Polarität magnetisiert, wenn Strom durch die Spulen U, V, W fließt. Stationäre magnetische Poloberflächen 85, die von der inneren Endoberfläche der jeweiligen stationären magnetischen Pole 84 definiert werden, liegen in einem gleichen Abstand zu der Mitte der drehbaren Welle 86 entlang einer zylindrischen Oberfläche.
Der Rotor 83 umfaßt andererseits ein Joch 87, welches aus einer Vielzahl von integral laminierten Silizium-Stahlbahnen (Blechen) gebildet ist, und einem Paar Feld-Permanentmagneten 88. Das Joch 87 ist entlang seines äußeren Umfangs mit vier sich drehenden magnetischen Polen 89 versehen, die nach außen weisen, und diese sich drehenden magnetischen Pole 89 sind alternierend in ihren jeweiligen Basisteilen vorgesehen, wobei die Feld-Permanentmagnete 88 darin eingefügt sind, und wobei die N-Pole dieser Magnete 88 gegenüberliegend angeordnet sind. Jeweilige sich drehende magnetische Poloberflächen 90, die von den äußeren Endoberflächen der jeweiligen sich drehenden magnetischen Pole 89 definiert sind, liegen in gleichen Abständen zu der Mitte der drehbaren Welle 86, um so jeweils gekrümmte Oberflächen zu bilden, so daß jede sich drehende magnetische Poloberfläche 90 gleichmäßig von der gegenüberliegenden stationären magnetischen Poloberfläche 85 an jedem Punkt auf der sich drehenden magnetischen Poloberfläche 90 beabstandet ist.
Unter dem Effekt einer gegenseitigen Abstoßung, die zwischen den N-Polen der zwei Permanentmagnete 88 auftritt, tritt der magnetische Fluß, der von dem Rotor 83 erzeugt wird, von dem Joch 87 über die sich drehenden magnetischen Pole, die darin keinen Feld-Permanentmagneten enthalten, aus und tritt in das Joch 87 über die sich drehenden magnetischen Pole, die darin die jeweiligen Feld-Permaqnentmagnete enthalten, so wie dies dargestellt ist, wieder ein. Demzufolge werden die sich drehenden magnetischen Pole, die darin die jeweiligen Permanentmagnete enthalten, in einer S-Polarität magnetisisert und die sich drehenden magnetischen Pole, die darin keine Permanentmagnete enthalten, werden in eine N- Polarität magnetisisert.
Kürzlich wurde ein Ansteuerverfahren für den Positionssensorlosen bürstenlosen DC-Motor vorgeschlagen, bei dem die elektromotorische Gegenkraft, die in den Statorspulen erzeugt wird, wenn sich der Rotor dreht, verwendet wird, anstelle sich auf den Positionsdetektor zu stützen (Suzuki, Ogasawara, Akagi, Naniwae, Nagatake, Okuyama: "Konstruktion eines Positionssensor-losen bürstenlosen DC-Motors", berichtet in der 34th national meeting of JEC, Industrial Application Group, 1988). Mit einem derartigen Ansteuerverfahren, wie in Fig. 27 gezeigt, wird ein Umrichter 91 des 120º Spannungszuführungs-Typs als die Hauptschaltung verwendet und eine UPM-Steuerung wird durch eine Zerhacker-Steuerung ausgeführt. Unter Bezugnahme auf Fig. 27 bezeichnet eine Bezugszahl 81 einen Motor, eine Bezugszahl 82 bezeichnet einen Stator, eine Bezugszahl 83 bezeichnet einen Rotor, Symbole U, V, W bezeichnen Statorspulen von jeweiligen Phasen, Symbole Ta&spplus;, Tb&spplus;, Tc&spplus;, Ta&supmin;, Tb&supmin;, Tc&supmin; bezeichnen Transistoren und Symbole Da&spplus;, Db&spplus;, Dc&spplus;, Da&supmin;, Db&supmin;, Dc&supmin; bezeichnen Rückkopplungsdioden. Gemäß diesem Vorschlag werden die elektromotorischen Gegenkräfte ea, eb, ec, die in den jeweiligen Phasen erzeugt werden, und das Ansteuersignal, welches an ein Paar von Transistoren angelegt wird, versuchsweise in der gegenseitigen Beziehung, wie in Fig. 28 dargestellt erhalten. Die jeweiligen Phasen U, V, W besitzen ihre offen-Perioden (d.h. eine Periode für die die Transistoren frei von einer Anwendung des Ansteuersignals sind) zweimal für jeweils 60º während einer Periode entsprechend einem elektrischen Winkel von 360º. Es sei darauf hingewiesen, daß die Phase in dem offenen Zustand nachstehend als die offen-Phase bezeichnet wird.
Um den Motor gemäß diesem Ansteuerverfahren anzusteuern, wird eine Startabfolge verfolgt, wie in Fig. 29 gezeigt. Zu Anfang wird der Motor für eine vorgegebene Zeit mit dem Ansteuersignal eines optionalen Erregungsmusters erregt (Schritt T31) und dadurch wird der Rotor an die Position entsprechend diesem Erregungsmuster verschoben (Schritt T32). Dann wird das Erregungsmuster auf das Erregungsmuster umgeändert, welches um 120º vorgerückt ist (Schritt T33) und dadurch wird der Motor gedreht (Schritt T34). Die elektromotorische Gegenkraft wird in den Statorspulen erzeugt, wenn der Motor gedreht wird. Die sich drehenden magnetischen Pole durchlaufen indirekt eine Positionserfassung, indem der eingeschaltete Zustand der Rückkopplungsdioden, die den offen-Phasen zugeordnet sind, erfaßt werden und somit wird das Kommunikationssignal erzeugt (Schritt T35). Insbesondere veranlaßt eine Drehung des Rotors die Statorspulen, die elektromotorische Gegenkraft zu erzeugen, die wiederum bewirkt, daß die Klemmenspannung jeder offen-Phase verändert wird. Demzufolge steigt ein Anodenpotential der P-seitigen Rückkopplungsdioden auf einen höheren Pegel als Ed&spplus; oder ein Kathodenpotential der N- seitigen Rückkopplungsdioden fällt auf einen niedrigeren Pegel als Ed&supmin; und somit werden die Rückkopplungsdioden eingeschaltet. Demzufolge kann der eingeschaltete Zustand der Dioden, die den offen-Phasen zugeordnet sind, erfaßt werden, um das Stromerregungsmuster zu erfassen, und infolge dessen werden Positionen der sich drehenden magnetischen Pole erfaßt. Praktischerweise erfaßt der Modus-Detektor 92, wie in Fig. 27 gezeigt, den eingeschalteten Zustand der jeweiligen Dioden, indem er die Referenzspannung Ed mit der Klemmenspannung jeder Diode vergleicht.
Die eingeschalteten Zustände der Dioden, die den offen-Phasen zugeordnet sind, werden in der Umgebung von 30º während der offen-Periode von 60º erfaßt. Das heißt, der eingeschaltete Zustand wird an der führenden Phase bei ungefähr 30º erfaßt. Demzufolge erzeugt die Steuerschaltung 93 das Ansteuersignal mit einer Verzögerung aller Phasen um jeweils ungefähr 30º (eine derartige Phasenverzögerung wird als Phasenverschiebung bezeichnet), um die nächste Kommunikation zu bewirken, und verwendet dieses Ansteuersignal, um die Zerhacker-Steuerung auszuführen.
Bei diesem Positionssensor-losen bürstenlosen DC-Motor des Standes der Technik neigt der magnetische Fluß, der von den Feld-Permanentmagneten erzeugt wird, jedoch dazu, an Punkten auf den jeweiligen sich drehenden magnetischen Poloberflächen konzentriert zu sein, die von den umfangsmäßigen Mittelpunkten darauf in der Richtung einer Drehung verschoben sind, da die jeweiligen sich drehenden magnetischen Poloberflächen gleichförmig von den jeweiligen stationären magnetischen Poloberflächen an jedem Punkt auf den jeweiligen sich drehenden magnetischen Poloberflächen beabstandet sind. Infolge dessen wird die elektromotorische Gegenkraft, die von dem magnetischen Fluß erzeugt wird, in Bezug auf die tatsächlichen Positionen der jeweiligen sich drehenden magnetischen Pole zu früh erfaßt und die stationären magnetischen Pole werden früher als eine vorgegebene Zeitgabe erregt, wodurch verhindert wird, daß sich der Rotor gleichförmig dreht.
In dem herkömmlichen Positionssensor-losen bürstenlosen DC- Motor, der ein Joch aufweist, welches darin eingefügte Permanentmagnete enthält, weisen die Feld-Permanentmagneten gewöhnlicherweise jeweils im wesentlichen rechteckförmige Querschnitte auf und die äußere magnetische Poloberfläche jedes Feld-Permanentmagneten definiert eine relativ große Oberfläche. Eine derartige Konfiguration hat zu der voranstehend erwähnten Abweichung des magnetischen Flusses beigetragen.
Der herkömmliche Rotor, der das Joch und die Feld- Permanentmagneten umfaßt, war einem anderen Problem bezüglich einer Festigkeit des Jochs ausgesetzt. Insbesondere sind die Feld-Permanentmagneten, die einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen, der geringfügig kleiner als der zugehörige sich drehende magnetische Pol ist, in die Basisteile dieses sich drehenden magnetischen Pols eingesetzt und deshalb weisen Brücken des Jochs, die das äußere Ende mit dem Basisteil jedes sich drehenden magnetischen Pols, der darin den Feld-Permanentmagneten aufweist, verbindet, notwendigerweise eine schlanke Konfiguration auf.
Wenn bei dem Ansteuerverfahren des Standes der Technik die elektromotorische Gegenkraft bei einer ersten Kommunikation auf Grundlage der Startabfolge erfaßt werden kann, wird bestimmt werden, daß ein normales Anlaufen (Starten) erzielt worden ist und ein Umschalten von der offenen Schleife auf das sensorlose Laufen wird auftreten. Deshalb wird der Rotor in ungeeigneter Weise in der Position gehalten und vibriert, beispielsweise wenn eine Last eine Drehmomenten-Schwankung beinhaltet. Wenn als nächstes eine Kommunikation unter einem Drehmoment ausgeführt wird, welches in der Gegenrichtung erzeugt wird, wird der Rotor von einer anderen Position als der gewünschten Position gedreht, so daß die elektromotorische Gegenkraft um einen elektrischen Winkel von 600 oder 1200 bezüglich der tatsächlichen Position des Rotors zu früh erfaßt wird und eine Umschaltung auf den sensorfreien Lauf auftritt, woraufhin ein vorgegebenes Erregungsmuster ausgegeben wird. Jedoch kann der Motor nicht normal gestartet werden und vibriert oft, da sich dieses Erregungsmuster von dem eigentümlichen Erregungsmuster in Abhängigkeit von der tatsächlichen Position des Rotors unterscheidet. Selbst wenn der Motor vibriert, wird ein Signal, welches die elektromotorische Gegenkraft darstellt, erfaßt und, wenn dieses Signal höher als ein Pegel ist, der für das sensorfreie Laufen benötigt wird, wird die Ausgabe des vorgegebenen Erregungsmusters fortgesetzt. Demzufolge ist sowohl das normale Anlaufen als auch das erneute Anlaufen unmöglich.
Mit dem oben erwähnten Ansteuerverfahren mußte ferner die Zerhackerfrequenz für einen relativ breiten Drehfrequenzbereich des Motors eingestellt werden, so daß die Kommutationszeitgabe frei von irgendeiner Beeinflussung der Erfassungszeitgabenverzögerung bei der maximalen Drehfrequenz ist. Beispielsweise entspricht ein elektrischer Winkel von 60º 0,5m/Sekunde, und deshalb wird die Zerhackerfrequenz auf einen Pegel eingestellt, der in der Größenordnung von bis zu 10 kHz ist. Jedoch führt eine derartig hohe Zerhackerfrequenz in nachteiliger Weise zu einen erhöhten Schaltverlust des Umrichters und einer beträchtlichen Wärmeerzeugung von den Umrichterelementen.
Zusätzlich erlitt das oben erwähnte Ansteuerverfahren ein weiteres anderes Problem darin, daß die elektrische Energie, die sich in den Statorspulen ansammelt, unmittelbar nach einem Übergang von dem erregten Zustand zu dem entregten Zustand ausgesendet wird und demzufolge eine Spannung in der offen-Phase erscheint. Die Zeitperiode, für die die elektrische Energie ausgesendet wird, hängt von dem Wert eines durch die Statorspulen fließenden Stroms und der auf den Motor ausgeübten Last ab. Der Motor wird während einer Aussendung einer derartigen elektrischen Energie nicht gedreht, weil keine genaue Positionsinformation des Permanentmagneten-Rotors erhalten werden kann, bis die Erfassung der elektromotorischen Gegenkraft unterbunden wird.
Schließlich wird das voranstehend erwähnte Ansteuerverfahren von einem weiteren zusätzlichen Problem bezüglich der Erfassung der relativen Position der Statorspulen und des Permanentmagneten-Rotors begleitet. Insbesondere wird die elektromotorische Gegenkraft, die in den Statorspulen erscheint, die nicht versorgt werden (nachstehend als offen- Phasen bezeichnet), erfaßt und dadurch wird die relative Position der Statorspulen und der Permanentmagneten gemäß dem Ansteuerverfahren erfaßt. Wenn jedoch die elektromotorische Gegenkraft, die in den offen-Phasen erscheinen, sich nicht linear verändert, wird keine genaue Erfassung der relativen Position erzielt werden.
Demzufolge ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen bürstenlosen DC-Motor ohne einen Positionssensor bereitzustellen, der ermöglicht, daß die sich drehenden magnetischen Pole genau in der Position erfaßt werden können und der eine geeignete strukturelle Festigkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird durch einen bürstenlosen DC-Motor ohne einen Positionssensor gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Verbesserungen der Erfindung können den abhängigen Ansprüchen entnommen werden.
Ein derartiger bürstenloser DC-Motor ohne einen Positionssensor kann in vorteilhafter Weise von einer Steuereinrichtung angesteuert werden, die dafür ausgelegt ist, um selbst dann, wenn der Motor nicht normal gedreht werden kann, beispielsweise au fgrund einer Vibration beim Anlaufen, an den Start einer offen-Schleife zurückzukehren, so daß eine offen-Schleifen-Steuerung erneut gestartet werden kann, um die Positionsfixierung des Rotors zu wiederholen, bis die normale Drehung erzielt wird.
Der bürstenlose DC-Motor kann auch in vorteilhafter Weise von einer Steuereinrichtung angesteuert werden, die dafür ausgelegt ist, die Zerhackerfrequenz kontinuierlich in Abhängigkeit von der Drehfrequenz des Motors umzuändern und dadurch einen Schaltverlust des Umrichters zu minimieren.
Der bürstenlose DC-Motor kann auch von einer Steuereinrichtung angesteuert werden, die dafür ausgelegt ist, daß sie die elektromotorische Gegenkraft selbst dann genau erfassen kann, wenn die Drehfrequenz und/oder die Last des Motors schwankt.
Ferner kann der bürstenlose DC-Motor von einem Steuersystem gesteuert werden, welches dafür ausgelegt ist, die Wellenformen des durch den bürstenlosen DC-Motor fließenden Stroms zu erfassen und dadurch eine stabile Positionserfassung des Permanentmagneten-Rotors zu erzielen, selbst wen die elektromotorische Gegenkraft, die in den offen-Phasen auftritt, sich nicht linear verändert.

Offenbarung der Erfindung:

Ein erster Aspekt der Erfindung läßt sich in einem bürstenlosen DC-Motor ohne Positionssensor sehen, umfassend: einen Stator, der in einem Motorrahmen befestigt ist, und einen Rotor, der von dem Stator umgeben ist und von dem Motorrahmen unter Zuhilfenahme einer drehbaren Welle drehbar gelagert ist, wobei der Stator eine Vielzahl von nach innen vorstehenden stationären magnetischen Polen aufweist, wobei die inneren Endoberflächen der stationären Magnetpole stationäre magnetische Poloberflächen definieren, die in gleichen Abständen zu der drehbaren Welle entlang einer zylindrischen Oberfläche liegen, wobei der Motor eine Vielzahl von nach außen vorstehenden sich drehenden magnetischen Polen aufweist, die äußeren Endoberflächen der sich drehenden magnetischen Pole sich drehende magnetische Poloberflächen definieren, die alternierend in verschiedenen Polaritäten in der Umfangsrichtung des Rotors magnetisiert und den stationären magnetischen Poloberflächen in einem geringen Abstand davon gegenüberliegend angeordnet sind, wobei jede der sich drehenden magnetischen Poloberflächen eine gekrümmte Oberfläche aufweist, die nach außen anwächst, und so nahe wie möglich der entsprechenden stationären magnetischen Poloberfläche an einem gegebenen Umfangspunkt benachbart angeordnet ist.
Vorzugsweise umfaßt der Rotor ein Joch und Feld- Permanentmagnete, wobei das Joch eine gerade Anzahl von radial nach außen vorstehenden sich drehenden magnetischen Polen aufweist, von denen die Basisteile alternierend vorgesehen sind, wobei die Feld-Permanentmagneten darin parallel zu der drehbaren Welle eingefügt sind und wobei die magnetischen Pole der jeweiligen Permanentmagneten der Drehwelle gegenüberliegend angeordnet sind, und wobei sich gegenüberliegende laterale Seiten der jeweiligen Magnete abgeschrägt sind, so daß die äußeren magnetischen Poloberflächen der jeweiligen Magnete mit relativ kleinen Oberflächengebieten versehen sind.
Eine Steuereinrichtung, die zum Ansteuern des erfindungsgemäßen bürstenlosen DC-Motors ohne Positionssensor verwendet werden kann, verwendet eingeschaltete Zustände von Rückkopplungsdioden, wobei die Steuereinrichtung umfaßt: einen Ausgangsmustermodus-Generator, einen Kommutationszeitgabensignal-Generator und einen Übereinstimmungsdetektor, der zum Erfassen einer Übereinstimmung der von dem Ausgangsmustermoden-Generator bzw. dem Kommutationszeitgabensignal-Generator erzeugte Signale, wobei ein Motoransteuerausgang einmal gestoppt wird und dann ein Starten wiederholt wird, wenn der Ausgang des Detektors keine Übereinstimmung anzeigt.
Eine andere Steuereinrichtung für den erfindungsgemäßen bürstenlosen DC-Motor ohne Positionssensor verwendet eingeschaltete Zustände von Rückkopplungsdioden und ist mit einer Zerhackersteuerung versehen, die für eine Drehfrequenz einstellbare Ansteuerung des bürstenlosen DC-Motors ausgelegt ist, wobei die Steuereinrichtung umfaßt: eine Detektoreinrichtung für die Motordrehfrequenz und eine Vergleichereinrichtung, die zum Vergleichen des Ausgangssignals der Detektoreinrichtung mit einem Referenzsignal in Abhängigkeit von der Drehfrequenz des Motors dient, wobei eine Zerhackerfrequenz auf Grundlage des Ausgangssignales des Komparators verändert wird.
Noch eine andere Steuereinrichtung zur Verwendung mit dem erfindungsgemäßen bürstenlosen DC-Motor ohne Positionssensor verwendet eingeschaltete Zustände von Rückkopplungsdioden und istmit einer Zerhackersteuerung versehen, die für eine Drehfrequenz-einstellbare Ansteuerung des bürstenlosen DC- Motors ausgelegt ist, wobei die Steuereinrichtung umfaßt: eine Schaltung, die zum Erzeugen der Anzahl von Impulsen proportional zu der Drehfrequenz des Motors ausgelegt ist und einen F/V-Wandler, der zum Erzeugen einer Spannung proportional zu der Anzahl von Impulsen ausgelegt ist, wobei eine Zerhackerfrequenz kontinuierlich auf Grundlage des Ausgangs des F/V-Wandlers verändert wird.
Eine Steuereinrichtung, die mit dem erfindungsgemäßen DC- Motor ohne Positionssensor verwendbar ist, umfaßt eine Einrichtung, die zum Erfassen eines durch den Motor fließenden Stroms dient, und eine Einrichtung, die zum Sperren einer Erfassung der elektromotorischen Kraft unmittelbar nach einer Kommutation dient.
Eine derartige Steuereinrichtung für den erfindungsgemäßen bürstenlosen DC-Motor ohne Positionssensor kann auch eine Einrichtung, die zum Erfassen der Drehfrequenz des Motors dient, und eine Einrichtung zum Sperren einer Erfassung der erlektromotorischen Gegenkraft unmittelbar nach einer Kommutation umfassen.
Die Steuereinrichtung, die mit dem erfindungsgemäßen DC-Motor ohne Positionssensor verwendet werden kann, kann auch eine Einrichtung, die zum Erfassen von Wellenformen des durch den bürstenlosen DC-Motor fließenden Stroms dient, und eine Einrichtung, die zur Positionserfassung des Permanentmagneten-Rotors auf Grundlage der Wellenformen des Stroms dient, umfassen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen:

In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild, welches Schaltungskomponenten eines bürstenlosen DC-Motors ohne Positionssensor wie einen Umrichter in der Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 2 eine Querschnittsansicht des bürstenlosen DC-Motors ohne Positionssensor, gesehen transversal von einer Achse davon;
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer in Fig. 1 gezeigten Steuerschaltung;
Fig. 4 ein Schaltbild, welches ein Beispiel eines Musterübereinstimmungs-Detektors zeigt;
Fig. 5 ein Zeitablaufdiagramm, welches eine gegenseitige Beziehung von verschiedenen Signalen darstellt, die in der Steuerschaltung auftreten;
Fig. 6 ein Diagramm, welches eine gegenseitige Beziehung eines Ausgangsmustermodus, eines Erregungsmodus und einer Kommutationszeitgabenerfassungsphase darstellt;
Fig. 7 ein Flußdiagramm einer Start- oder Anlaufabfolge;
Fig. 8 ein Blockschaltbild von Details einer anderen in Fig. 1 gezeigten Steuerschaltung;
Fig. 9 ein Blockdiagramm von Einzelheiten einer noch anderen in Fig. 1 gezeigten Steuerschaltung;
Fig. 10 ein Schaltbild, welches eine Verbindung von einem F/V-Wandler zu einem Oszillator zeigt;
Fig. 11 ein Wellenformdiagramm, welches vorherrschende Wellenformen darstellt, die in dem FIV-Wandler bzw. dem Oszillator erscheinen;
Fig. 12 ein Blockdiagramm von Einzelheiten einer noch anderen Steuerschaltung, die in Fig. 1 verwendet werden kann;
Fig. 13 ein Schaltbild eines Detektors für eine elektromotorische Gegenkraft;
Fig. 14 ein Signalwellenform-Diagramm für den Detektor der elektromotorischen Gegenkraft;
Fig. 15 ein grafisches Diagramm, welches einen Zusammenhang zwischen einem Stromwert und einer Aussendezeitperiode einer elektrischen Energie darstellt;
Fig. 16 ein Schaltbild einer Detektions-Sperreinrichtung;
Fig. 17 ein Signalwellenform-Diagramm für die Detektions- Sperreinrichtung;
Fig. 18 ein Blockschaltbild von Einzelheiten einer anderen Steuerschaltung, die in Fig. 1 gezeigt ist;
Fig. 19 ein grafisches Diagramm, das einen Zusammenhang zwischen der Drehfrequenz und einer Aussendzeitperiode einer elektrischen Energie zeigt;
Fig. 20 ein Blockdiagramm von Einzelheiten einer anderen Steuerschaltung, die in Fig. 1 verwendbar ist;
Fig. 21 ein Blockdiagramm eines Rotorpositions-Detektors;
Fig. 22 ein Flußdiagramm einer Rotorpositions-Detektion;
Fig. 23, 24 und 25 Wellenform-Diagramme, die Stromwellenformen jeweils als Funktion einer Zuführungszeitgabe zeigen;
Fig. 26 eine Querschnittsansicht eines bürstenlosen DC-Motors ohne Positionssensor des Standes der Technik halbiert;
Fig. 27 ein Schaltbild eines Umrichters, der in einem Motor des Standes der Technik verwendet wird;
Fig. 28 ein Diagramm, welches einen Zusammenhang zwischen einer elektromotorischen Gegenkraft und einem Ansteuersignal in einem Motor des Standes der Technik darstellt; und
Fig. 29 ein Flußdiagramm, welches eine Startabfolge für einen Motor des Standes der Technik zeigt.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung:

Nachstehend wird die Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 beschrieben.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist eine allgemeine Anordnung eines Antriebs- bzw. Ansteuer-Steuersystems für den bürstenlosen DC-Motor ohne Positionssensor gezeigt.
Das Ansteuer-Steuerungssystem für den bürstenlosen DC-Motor ohne Positionssensor umfaßt zusätzlich zu dem bürstenlosen DC-Motor ohne Positionssensor 1 selbst eine Energieversorgung 21, einen Umrichter 22, der die Zerhackersteuerung übernimmt, einen Moden-Detektor 23, der eine elektromotorische Gegenkraft zum Erfassen der Position eines Rotors 3 verwendet, und eine Steuerschaltung 24, die zum Steuern des Umrichters 22 dient. Der bürstenlose DC-Motor ohne Positionssensor 1 umfaßt einen Stator 2 und den Rotor 3. Der bürstenlose DC-Motor ohne Positionssensor 1 in dieser Ausführungsform ist ein von einem Dreiphasen-Umrichter angesteuerter Typ und Bezugssymbole U, V, W bezeichnen jeweilige Spulen, die auf den Stator 2 gewickelt sind. Ein Bezugssymbol Vn bezeichnet eine Spannung über U, V, W und diese Spannung wird selektiv über zwei dieser drei Spulen U, V, W beim Umschalten des Umrichters 22 erzeugt.
Die Energieversorgung 21 befindet sich in einem Zustand, der bereit ist, um gleichgerichteten Strom zuzuführen. Ein Bezugssymbol Ed (und Ed&spplus;, Ed&supmin;) bezeichnet eine elektromotorische Kraft. Der Umrichter 22 umfaßt Rückkopplungsdioden Da&spplus;, Db&spplus;, Dc&spplus;, Da&supmin;, Db&supmin;, Dc&supmin; und Transistoren Ta&spplus;, Tb&spplus;, Tc&spplus;, Ta&supmin;, Tb&supmin;, Tc&supmin;.
Die jeweiligen Systemkomponenten arbeiten, wie nachstehend beschrieben wird, zum drehungsmäßigen Ansteuern des bürstenlosen DC-Motors ohne Positionssensor.
Der Umrichter 22 umfaßt P-seitige Transistoren Ta&spplus;, Tb&spplus;, Tc&spplus;, mit denen jeweils die Rückkopplungsdioden Da&spplus;, Db&spplus;, Dc&spplus;, verbunden sind, und N-seitige Transistoren Ta&supmin;, Tb&supmin;, Tc&supmin;, mit denen jeweils die Rückkopplungsdioden Da&supmin;, Db&supmin;, Dc&supmin; verbunden sind. Unter einer Zerhackersteuerung durch einen Satz eines P-seitigen Transistors und eines N-seitigen Transistors werden zwei der Dreiphasen-Spulen selektiv nacheinander mit einem dreiphasigen Gleichstrom versorgt, um ein Magnetfeld zu erzeugen, mit dem der Rotor drehungsmäßig angesteuert wird. Insbesondere werden Ausgangsmodenmuster des Ansteuersignals auf 5 bis 0 gemäß der Erregungsmuster voreingestellt, die zur Aufrechterhaltung einer normalen Drehung des Motors 1 benötigt werden, wie nachstehend noch unter Bezugnahme auf Eig. 6 beschrieben wird, und der Motor 1 wird drehungsmäßig unter dem Effekt einer Kommutation, die durch eine Beziehung zwischen den jeweiligen Erregungsmustern sequentiell erzeugt wird, einerseits und Kommutationszeitgaben-Erfassungsphasen und eingeschalteten Dioden andererseits angesteuert. Der Moden-Detektor 23 ist mit dem Umrichter 22 verbunden und erfaßt die eingeschalteten Zustände der jeweiligen Rückkopplungsdioden, die in dem Umrichter 22 enthalten sind, auf Grundlage der in den jeweiligen Spulen des Motors 1 erzeugten elektromotorischen Gegenkraft. Die Schaltung 24 erfaßt die Kommutationszeitgabe der jeweiligen Spulen U, V, W auf Grundlage des Detektionssignals von dem Moden-Detektor 23 und gibt das Ansteuersignal an jeden Transistor des Umrichters 22 aus, so daß eine gut zeitlich abgestimmte Kommutation bei den jeweiligen Spulen U, V, W auftreten kann. Die Zerhackersteuerung wird in dem Umrichter 22 ausgeführt. Auf Grundlage des Ansteuersignals wiederholt der Umrichter 22 den Betrieb, wie voranstehend erwähnt. Ein derartiger wiederholter Betrieb veranlaßt den Rotor 3, kontinuierlich angesteuert bzw. angetrieben zu werden.
Der Stator 2 und der Rotor 3 des bürstenlosen DC-Motors ohne Positionssensor, die einen wichtigen Teil dieser Ausführungsform bilden, werden nachstehend eingehend beschrieben. Eig. 2 zeigt den bürstenlosen DC-Motor ohne Positionssensor dieser Ausführungsform in einem vergrößerten Querschnitt, der transversal von der Drehachse davon genommen ist.
Der Stator 2 umgibt den Rotor 1 und besitzt 24 stationäre magnetische Pole 5, die nach innen vorstehen. Obwohl nicht dargestellt tragen diese stationären magnetischen Pole 5 Spulen, die darauf gewickelt sind. Stationäre magnetische Poloberflächen 6, die von inneren Endoberflächen der jeweiligen stationären magnetischen Pole definiert sind, liegen in gleichen Abständen zu der Mitte einer drehbaren Welle 4 in Übereinstimmung mit einer imaginären zylindrischen Oberfläche.
Der Rotor 3 wird durch die drehbare Welle 4 drehbar gehaltert und umfaßt ein Joch 7, welches eine Vielzahl von integral laminierten Silizium-Blechen umfaßt. Das Joch 7 weist entlang seines äußeren Umfangs 4 sich drehende magnetische Pole 8, 9, 10, 11 auf, die radial nach außen vorstehen. Ein Paar von Feld-Permanentmagneten, 12, 13 sind in die Basisteile der sich drehenden magnetischen Pole 8, 10 eingefügt, jeweils parallel zu der drehbaren Welle 4, wobei die N-Pole dieser Feld-Permanentmagneten 12, 13 aufeinander zugekehrt positioniert sind. Demzufolge stoßen sich die N-Pole der Feld-Permanentmagneten 12, 13 ab und ein Magnetfluß, der davon erzeugt wird, definiert einen magnetischen Pfad wie in Fig. 2 gezeigt. Insbesondere tritt der magnetische Eluß aus dem Joch 7 aus, nachdem er durch die sich drehenden magnetischen Pole 9, 11 getreten ist, und tritt dann durch die sich drehenden magnetischen Pole 8, 9 wieder in das Joch ein. Somit werden die sich drehenden magnetischen Pole 8, 10 als S-Pole magnetisiert, während die sich drehenden magnetischen Pole 9, 11 als N-Pole magnetisiert werden;
Die sich drehenden magnetischen Poloberflächen 14, 15, 16,17 auf den äußeren Enden der jeweiligen sich drehenden magnetischen Pole 8, 9, 10, 11 definieren gekrümmte Oberflächen, die jeweils radial nach außen anwachsen. In dem vorliegenden Fall weisen die kreisförmig gekrümmten Oberflächen, die von den jeweiligen sich drehenden magnetischen Poloberflächen 14, 15, 16, 17 definiert werden, eine größere Krümmung als diejenige der imaginären zylindrischen Oberfläche auf, auf der die stationären magnetischen Poloberflächen 6 liegen. Mit anderen Worten, die sich drehenden magnetischen Poloberflächen 14, 15, 16, 17 sind zu den stationären magnetischen Poloberflächen 6 an umfangsmäßigen Mittelpunkten der jeweiligen sich drehenden magnetischen Poloberflächen nächstliegend angeordnet.
Der magnetische Fluß, der von den Feld-Permanentmagneten 12, 13 erzeugt wird, ist auf die umfangsmäßigen Mittelpunkte konzentriert, an denen die sich drehenden magnetischen Poloberflächen nächstliegend zu den stationären Poloberflächen angeordnet sind. Ein derartiges Phänomen wird eingehend im Zusammenhang mit der sich drehenden magnetischen Poloberfläche 14 beschrieben.
Ein Abstand von dem umfangsmäßigen Mittelpunkt der sich drehenden magnetischen Poloberfläche 14 zu dem entsprechenden stationären magnetischen Pol P2 wird hier mit d0 bezeichnet und Abstände von den stationären magnetischen Polen P1, P3, die benachbart zu dem stationären magnetischen Pol P2 liegen, zu der sich drehenden magnetischen Poloberfläche 14 werden mit d1 bzw. d2 bezeichnet. Der Abstand d0 ist kleiner als sowohl der Abstand d1 als auch der Abstand d2 und demzufolge erreicht der magnetische Eluß, der von dem Feld- Permanentmagneten 12 erzeugt wird, die sich drehende magnetische Poloberfläche 14 weitgehend über den stationären magnetischen Pol P2 und dadurch wird eine elektromotorische Gegenkraft, die durch die sich drehende magnetische Poloberfläche 14 erzeugt wird, auf den stationären magnetischen Pol P2 konzentriert. Dies trifft auch für die anderen sich drehenden magnetischen Poloberflächen 15, 16, 17 zu.
In dieser Weise erzeugt der Rotor 3 mit den voranstehend erwähnten kreisförmig gekrümmten sich drehenden Poloberflächen normalerweise die elektromotorische Gegenkraft weitgehend von den umfangsmäßigen Mittelpunkten der jeweiligen sich drehenden magnetischen Poloberfläche, so daß eine fehlerhafte Positionserfassung der sich drehenden magnetischen Pole zuverlässig verhindert werden kann.
Wie dargestellt sind die Feld-Permanentemagnete 12, 13 in dem vorliegenden fall so konfiguriert, daß sie gegenüberliegende laterale Seiten aufweisen, die so abgeschrägt sind, daß ihre S-Pol-Seite eine kleinere Oberfläche als diejenige ihrer N- Pol-Seite aufweisen kann. Somit wird der magnetische Fluß, der von den Permanentmagneten erzeugt wird, auf umfangsmäßige Mittelpunkte ihrer S-Pol-Flächen und demzufolge an umfangsmäßigen Mittelpunkten der sich drehenden magnetischen Poloberflächen 14, 16 konzentriert. Brücken 18, die an den gegenüberliegenden lateralen Seiten der jeweiligen Feld- Permanentmagneten 12, 13 definiert sind, besitzen eine relativ große Breite über den Hauptteil ihrer Erstreckung, da die gegenüberliegenden lateralen Seiten abgeschrägt sind. Infolge dessen weist das Joch 7 eine relativ hohe Festigkeit auf, so daß das Joch 7 nicht leicht deformiert werden kann, selbst wenn eine unerwartete externe Kraft auf die sich drehenden magnetischen Poloberflächen 14, 16 ausgeübt wird.
Während die Ausführungsform der Erfindung auf der Basis der spezifischen Ausführungsform mit den kreisförmig gekrümmten sich drehenden magnetischen Poloberflächen, die jeweils mit einem Krümmungsradius definiert sind, der kleiner als derjenige ist, der die stationären magnetischen Poloberflächen definiert, beschrieben worden ist, ist die Krümmung jeder sich drehenden magnetischen Poloberfläche nicht auf den kreisförmigen Bogen und irgendwelche anderen Krümmungen beschränkt, beispielsweise können eine parabolische Krümmung, wie transversal von der drehbaren Welle betrachtet, verwendet werden, vorausgesetzt, daß jede sich drehende magnetische Poloberfäche so konfiguriert ist, daß sie von der stationären magnetischen Poloberfläche an den umfangsmäßig gegenüberliegenden Ende am weitesten entfernt angeordnet ist und an dem umfangsmäßigen Mittelpunkt der sich drehenden magnetischen Poloberfläche dazu nächstliegend angeordnet ist. Der ähnliche Effekt wird auch erhalten, wenn jede sich drehende magnetische Poloberfläche so konfiguriert ist, daß sie von der stationären magnetischen Poloberfläche nur an einem Ende in der Richtung seiner Drehung am weitesten entfernt angeordnet ist und dazu an dem umfangsmäßigen Mittelpunkt nächstliegend angeordnet ist.
Während die Ausführungsform der Erfindung bis hierhin auf der Grundlage der spezifischen Ausführungsform beschrieben worden ist, die auf dem äußeren Umfang des Jochs vier sich drehende Pole aufweist, die wiederum alternierend mit den darin eingefügten Feld-Permanentmagneten versehen sind, ist der Rotor nicht auf eine derartige Konstruktion beschränkt, sondern kann irgendeine gerade Anzahl von sich drehenden magnetischen Polen aufweisen und ein Feld-Permanentmagnet kann in jeden von diesen eingefügt werden. Anstelle einer Einfügung der Feld-Permanentmagneten in das Joch, ist es auch möglich, Feld-Permanentmagneten zu bilden, die jeweils die sich drehende magnetische Poloberfläche der voranstehend erwähnten Konfiguration aufweist, und sie dann auf den äußeren Umfang der Drehwelle zusammen zu bonden.
Wie sich aus der vorangehenden Beschreibung ergibt, weisen gemäß der Ausführungsform der Erfindung die sich drehenden magnetischen Poloberflächen des Rotors die Krümmung auf, die radial nach außen anwächst, so daß jede sich drehende magnetische Poloberfläche am nächsten zu der stationären magnetischen Poloberfläche an einem gegebenen Punkt auf der sich drehenden magnetischen Poloberfläche angeordnet ist und demzufolge konzentriert sich die elektromotorische Gegenkraft an diesen Punkt. In dieser Weise stellt die Ausführungsform einen bürstenlosen DC-Motor ohne Positionssensor bereit, dadurch gekennzeichnet, daß die Position jedes sich drehenden magnetischen Pols genau erfaßt werden kann. Gemäß der Ausführungsform ist das Joch entlang seines äußeren Umfangs mit einer geraden Anzahl der sich drehenden magnetischen Pole, die radial nach außen vorstehen, versehen, wobei diese sich drehenden magnetischen Pole in ihren Basisteilen mit den Feld-Permanentmagneten versehen sind, die darin parallel zu der Drehwelle eingefügt sind, und die gegenüberliegenden lateralen Seiten jedes Feld-Permanentmagneten sind abgeschrägt, so daß die äußere magnetische Poloberfläche des Magneten kleiner als seine innere magnetische Poloberfläche ist. Demzufolge wird der magnetische Fluß, der von den Feld- Permanentmagneten erzeugt wird, an dem umfangsmäßigen Mittelpunkt jedes sich drehenden magnetischen Pols einerseits konzentriert, und es ist möglich, das Joch mit den geeignet breiten Brücken zu versehen und das Joch mit einer Festigkeit zu erhalten, die hoch genug ist, um einer unerwarteten darauf ausgeübten externen Kraft standzuhalten.
Nachstehend werden Einzelheiten einer Steuerschaltung, die zusammen mit einem bürstenlosen DC-Motor aus Fig. 1 verwendbar ist, unter Bezugnahme auf die Fig. 3 bis 7 beschrieben.
Fig. 3 ist ein Blockdiagramm eines derartigen Steuersystems. Ein Moden-Detektor 23 vergleicht eine Referenzspannung Ed (und Ed&spplus;, E&supmin;) für einen Vorwärtsspannungsabfall der Rückkopplungsdioden, die in einem Umrichter 22 enthalten sind, mit einer Klemmenspannung der jeweiligen Dioden, um die eingeschalteten Zustände der jeweiligen Rückkopplungsdioden zu erfassen und um dadurch die Erregungsmuster-Moden zu detektieren. In dieser Ausführungsform ist der Umrichter 22 von einem Dreiphasen-Bipolar-Typ und detektiert, wie in Fig. 6 gezeigt, die Einschaltzustände von sechs Phasen U+, U-, V+, V-, W+, W- entsprechend der jeweiligen Erregungsmuster und legt die entsprechenden Detektionssignale an eine Steuerschaltung 24 an, die wiederum einen Kommunikationszeitgabensignal-Detektor 25, einen Ausgangsmustermoden-Generator 26, einen Ansteuersignal- Generator 27, einen Musterübereinstimmungs-Detektor 28, eine Start- oder Anlauf-Steuereinrichtung 29, einen Zerhackerwähler 30 und einen Zerhackersignal-Generator 21 umfaßt. Der Kommutationszeitgabensignal-Detektor 25 ist dafür ausgelegt, das Kommutationszeitgabensignal auf Grundlage des Ausgangs von dem Moden-Detektor 23 zu detektieren und einen Taktimpuls zu erzeugen. Der Ausgangsmuster Moden-Generator 26 ist dafür ausgelegt, um auf Grundlage des von dem Kommutationszeitgabensignal-Detektor 25 angelegten Taktsignalimpulses Signale zu erzeugen, die jeweils sechs Moden darstellen, wie in Fig. 6 gezeigt, und auf Grundlage dieser Signale erzeugt der Ansteuersignal-Generator 27 ein Motoransteuerungssignal. Der Musterübeinstimmungsdetektor 28 vergleicht ein Signal h1, eines der sechs Kommutationszeitgabensignale, mit einer Wellenform h3-2 des Ausgangsmustermodes 2 während einer Periode, für die der Ausgangsmustermoden-Generator 26 ein Signal ho an die Start- Steuereinrichtung ausgibt, um ein erneutes Starten anzufordern. Auf Grundlage eines Signals h3 von dem Ausgangsmustermoden-Generator 26 und einem Signal von der Start-Steuereinrichtung 29 erzeugt der Ansteuersignal- Generator 27 ein Motoransteuersignal, während der Zerhackerwähler 30 bestimmt, ob der Zerhacker positiv oder negativ ist und gibt ein entsprechendes Signal an den Ansteuersignal-Generator 27 aus. Das Signal, welches von dem Zerhackersignal-Generator 31 kommt, wird in dem Ansteuersignal-Generator 27 überlagert und steuert dadurch die jeweiligen Transistoren des Umrichters 22 an.
Unter Bezugnahme auf Fig. 4 ist die Anordnung des Musterübereinstimmungs-Detektors 28 dargestellt. Der Ausgangsmustermoden-Generator 26 arbeitet als ein Abwärtszähler, der dafür ausgelegt ist, das ODER-Signal h2 der sechs Kommutationszeitgabensignale in der Form eines Taktimpulses nacheinander auf sechs Ausgangsanschlüssen 5 bis 0 zu erzeugen. Beim Starten und beim erneuten Starten wird der Modus 5 als ein Anfgangsmodus ausgegeben, dann werden die Moden 3, 2, 1, 0 und 5 in dieser Reihenfolge ausgegeben (Einzelheiten bezüglich dieser Abfolge werden nachstehend noch beschrieben). Der Ausgang h3-2 des Ausgangsmustermoden- Generators 26 und das Kommutationszeitgabensignal hl werden an das EX-ODER-Gatter 32 angelegt, von dem wiederum der Ausgang h4 zusammen mit dem ODER-Signal h2 der sechs Kommutationszeitgabensignale an ein UND-Gatter 33 angelegt wird. Insbesondere wird der Ausgang h3-2 des Ausgangsmustermoden-Generators 26 mit dem Kommutationszeitgabensignal h1 während einer Periode verglichen, für die das ODER-Signal h2 der sechs Kommutationszeitgabensignale ausgegeben wird, und wenn keine Übereinstimmung detektiert wird, wird der Ausgang ho des NAND-Gatters 33 hoch. Der Ausgang wird an die Start- Steuereinrichtung 29 angelegt. Eine Korrelation der jeweiligen Signale ist mit einem Zeitdiagramm in Fig. 5 dargestellt.
Der Ansteuersignal-Generator 27 erzeugt aufeinanderfolgend die Ansteuersignale der Ausgangsmuster 5 bis 0 entsprechend der Erregungsmuster, wie in Fig. 6 dargestellt. Insbesondere weisen die Ausgangsmustermoden, die Erregungsmuster und die Kommutationszeitgabensignal-Detektionsphasen zueinander Beziehungen auf, wie in Fig. 5 gezeigt. Wenn beispielsweise das Kommutationszeitgabensignal von U- der offen-Phase U bei dem Ausgangsmustermodus 3 detektiert wurde, kann das Erregungsmuster von demjenigen entsprechend dem Modus 3 auf dasjenige entsprechend dem Modus 2 bei dem nächsten Ausgangsmustermodus 2 umgeschaltet werden, d. h. den Erregungsmodus "von V+ auf U-", um die normale Drehung fortzusetzen.
Fig. 7 ist ein Fußdiagramm, das eine Startsequenz der Steuerschaltung beim Ansteuern des bürstenlosen DC-Motors in Fig. 1 zeigt. Eine Erregung eines gegebenen Musters tritt im Schritt T1 auf. In diesem Fall wird der Modus 5 als das gegebene Muster gewählt, d.h. das Erregungsmuster von der "U+ Phase nach V- Phase" und 10 bis 15 A werden mit einem derartigen Ausgangsmuster versorgt. Ein derartiger Zustand wird für 0,8 Sekunden im Schritt T2 aufrecht erhalten. Infolge dessen wird der Rotor um einen elektrischen Winkel von maximal 1800 in die Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung gedreht und angehalten, so daß eine Position des Rotors festgelegt sein kann. Nun wird der Ausgangsmustermodus um zwei vorgerückt und der Modus 3 wird ausgegeben. Das heißt, eine Zuführung mit dem Erregungsmuster von "V+ Phase auf W- Phase" tritt auf. Infolge dessen wird der Rotor in die Vorwärtsrichtung gemäß dem Erregungsmuster das um einen elektrischen Winkel 1200 in der Vorwärtsrichtung weiter vorgerückt ist, gestartet und beschleunigt. Ein Grad einer Beschleunigung hängt von dem Zuführungstromwert und außerdem von der Lastbedingung ab und in dieser Steuerschaltung kann eine Umdrehungsgeschwindigkeit, die zum Erzeugen der für einen sensorlosen Lauf benötigten elektromotorischen Gegenkraft ausreichend ist, im Moment des Startens mit einem Zuführungsstrom in der Größenordnung von 5A erreicht werden. Somit wird im Schritt T4 das Kommutationszeitgabensignal erzeugt. Soweit die normale Drehung betroffen ist, wird das Kommutationszeitgabensignal aus den Rückkopplungsdioden der U- Phase erfaßt, die während dieser Periode offen ist. Dann bestimmt ein Schritt T5, ob der Ausgangsmustermodus mit der Kommutations zeitgabensignal-Erzeugungsphase übereinstimmt oder nicht. Genauer gesagt bestimmt der Schritt T5, ob das Signal des Modus 2 mit dem Kommutationszeitgabensignal von der U- Phase übereinstimmt oder nicht, da der Ausgangsmustermodus um 1 auf den Modus 2 vorgerückt wird, wenn das Kommutationszeitgabensignal erzeugt wird. Wenn eine Übereinstimmung erfaßt wird, schreitet die Routine zu einem Schritt T6 vor, um den sensorfreien Lauffortzusetzen, und wenn sie nicht erfaßt wird, verzweigt sich die Routine an einen Schritt T7, um das Ausgangsmuster zu stoppen. Nach dem Ablauf von zwei Sekunden in einem Schritt T8 kehrt die Routine zu dem Schritt 1, dem Startpunkt der offenen Schleife, zurück, um die Startabfolge zu wiederholen. Die ablaufende Zeit im Schritt T8 wird vorzugsweise auf eine Zeitperiode eingestellt, an deren Ende der Rotor anhält und in dieser Ausführungsform ist die Zeit in der Größenordnung von zwei Sekunden geeignet.
Es ist ersichtlich, daß der Stromwert, die ablaufende Zeit und das Ausgangsmuster spezifisch für dieses Steuerschaltungssystem sind und es ist natürlich möglich, die anderen Werte und Muster in den anderen Steuersystemen, die nachstehend noch beschrieben werden, zu verwenden.
Wie sich aus der vorangehenden Beschreibung entnehmen läßt, ist die oben beschriebene Steuerschaltung, die in Fig. 1 verwendbar ist, so angeordnet, daß der Zustand, in dem der Motor sich dreht, erfaßt werden kann, selbst unter einer Last, die möglicherweise ein Schwanken des Zustands während des Startens verursachen kann, und eine erneutes Starten kann versucht werden, indem die Startabfolge wiederholt wird, selbst wenn der Motor vibriert. In dieser Weise kann ein weiteres zuverlässiges Starten mit einem relativ einfachen Schaltungsaufbau erzielt werden.
Eine andere Steuerschaltung, die in Fig. 1 verwendbar ist, wird nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 8 beschrieben.
Fig. 8 ist ein Blockschaltbild, welches eine Anordnung einer Steuereinrichtung zeigt. Wie voranstehend erwähnt wurde, erfaßt ein Modus-Detektor 23 den eingeschalteten Zustand von jeweiligen Rückkopplungsdioden. Eine Steuerschaltung 24 in dieser Ausführungsform umfaßt grundsätzlich einen Kommutationszeitgabensignal-Detektor 25, einen Phasenschieber 35, einen 6-Schritt-Wellenformgenerator 36, einen Ansteuersignal-Generator 27, eine Sägezahnwellen-Komparator 37, einen F/V-Wandler 38, einen Komparator 39 und erste und zweite Oszillatoren 40 und 41.
Der Kommutationszeitgabensignal-Detektor 25 detektiert die Kommutationszeitgabe, die von einer Zerhackungs-Aus-Periode erhalten wird, auf Grundlage des Ausgangs des Modus-Detektors 23 und erzeugt einen Taktimpuls. Der Phasenschieber 35 ist eine Verzögerungsschaltung, die einen Zähler vergleicht, der dafür ausgelegt ist, eine normale Kommutationszeitgabe auf Grundlage des Ausgangssignals des Kommutationszeitgabensignal-Detektors 25 zu erhalten, und verschiebt (d.h. verzögert) die Phase allgemein innerhalb eines elektrischen Winkels von 150 bis 3Q0 Der 6-Schritt- Wellenformgenerator 36 erzeugt Wellenformen von sechs Moden auf Grundlage der Taktimpulse, die von dem Phasenschieber 35 angelegt werden, so daß der Ansteuersignal-Detektor 27 daraufhin das Motor-Ansteuersignal erzeugen kann und dieses auf das Zerhackersignal, welches von dem Sägezahnwellen- Komparator 37 angelegt wird, vor der Anlegung an den Umrichter 22 überlagert. Der F/V-Wandler 38 dient dazu, eine F/V-Wandlung der Impulssignale vorzunehmen, die proportional zu der Drehfrequenz des Motors 1 sind, die von dem Kommutationszeitgabensignal-Detektor 25 ausgegeben wird, und eine dadurch erhaltene DC-Spannung wird von dem Komparator 39 mit der Referenzspannung in Abhängigkeit von der Drehfrequenz des Motors 1 verglichen. In Abhängigkeit von dem Ergebnis eines Vergleichs wird mittels eines Schalters 42 zwischen dem ersten Oszillator 40 und dem zweiten Oszillator 41 eine Umschaltung vorgenommen. Ausgänge dieser Oszillatoren 40, 41 werden alternierend in der Form von Referenz-Sägezahnwellen an den Sägezahnwellen-Komparator 37 angelegt und die Referenz-Sägezahnwelle, die von dem zweiten Oszillator 41 erzeugt wird, zeigt eine Oszillationsfrequenz auf, die sich von derjenigen der Referenz-Dreieckswelle, die von dem ersten Oszillator 40 erzeugt wird unterscheidet. Vorzugsweise weist der erste Oszillator 40 eine Oszillationsfrequenz von 15 kHz einerseits auf, und der F/V-Wandler 38 und der Komparator 39 sind so angeordnet, daß der Schalter 42 mit dem ersten Oszillator 40 für die Drehfrequenz von kleiner als 5000 verbunden ist und mit dem zweiten Oszillator für die Drehfrequenz von 5000 oder höher verbunden ist.
Es ist auch möglich, einen Signaloszillator bereitzustellen und eine Oszillationsfrequenz selbst auf Grundlage des Ausgangs des Komparators umzuschalten.
Wie sich aus der vorangehenden Beschreibung entnehmen läßt, minimiert die eben beschriebene Steuereinrichtung in vorteilhafter Weise einen Schaltverlust des Umrichters und unterdrückt effektiv eine Wärmeerzeugung von den Umrichterelementen.
Eine noch weitere Steuerschaltung, die mit dem erfindungsgemäßen DC-Motor der Fig. 1, 2 verwendbar ist, wird unter Bezugnahme auf die Fig. 9 bis 11 beschrieben.
Wie in Fig. 9 ersichtlich umfaßt diese Steuerschaltung 24 grundliegend einen Kommutationszeitgabensignal-Detektor 25, einen Phasenschieber 35, einen 6-Schritt-Wellenformgenerator 36, einen Ansteuersignal-Generator 27, einen Dreieckswellen- Komparator 37, einen F/V-Wandler 38 und einen Oszillator 43.
Der Kommutationszeitgabensignal-Detektor 25 detektiert die Kommutationszeitgabe, die von einer Zerhackungs-Aus-Periode erhalten wird, auf Grundlage des Ausgangs des Moden-Detektors 23 und erzeugt ein Taktsignal. Der Phasenschieber 35 ist eine Verzögerungsschaltung, die einen Zähler umfaßt, der ausgelegt ist, um eine normale Kommutationszeitgabe auf Grundlage des Ausgangssignals des Kommutationszeitgabensignal-Detektors 25 zu ermitteln, und verschiebt (d.h. verzögert) die Phase allgemein mit einem elektrischen Winkel von 150 bis 300. Der 6-Schritt-Wellenformgenerator 36 erzeugt Wellenformen von sechs Moden auf Grundlage der Taktimpulse, die von dem Phasenschieber 35 angelegt werden, so daß der Ansteuersignal- Generator 27 daraufhin das Motor-Ansteuersignal erzeugen kann und dieses auf das Zerhacker-Signal, welches von dem Dreieckswellen-Komparator 37 angelegt wird, vor einer Anlegung an den Umrichter 22 überlagert. Der F/V-Wandler 38 dient dazu, eine FIV-Umwandlung der Taktimpulse vorzunehmen, die proportional zu der Drehfrequenz des Motors 1 sind, die von dem Kommutationszeitgabensignal-Detektor 25 ausgegeben wird, und eine DC-Gleichspannung, die dadurch erhalten wird, wird an den Oszillator 43 angelegt, der dann eine Referenz- Dreieckswelle mit einer Periode erzeugt, die proportional zu der DC-Gleichspannung ist. Die Dreieckswelle mit einer Drehfrequenz-Befehlsspannung gibt ein vorgegebenes Zerhackersignal an den Ansteuersignal-Generator 27 aus.
Zerhackerfrequenz kontinuierlich gemäß der Drehfrequenz des Motors 1 verändert werden kann.
Eine weitere Steuerschaltung, die in Fig. 1 verwendbar ist, wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 12 bis 17 beschrieben. Unter Bezugnahme auf Fig. 12 bezeichnet eine Bezugszahl 22 einen Umrichter und eine Bezugszahl 23 bezeichnet einen Detektor einer elektromotorischen Gegenkraft (der eine ähnliche Funktion wie diejenige des Moden-Detektors in den voranstehend erläuterten ersten bis vierten Steuereinrichtungen aufweist). Der Umrichter 22 dient als eine Ansteuerschaltung für den bürstenlosen DC-Motor 1. Der bürstenlose DC-Motor 1 umfaßt Statorspulen U, V, W und einen Permanentmagnet-Rotor 3, so daß der Permanentmagnet-Rotor 3 unter dem Effekt des magnetischen Feldes gedreht wird, welches von einem durch die Statorspulen fließenden Strom erzeugt wird.
Diese Steuerschaltung 24 umfaßt einen Stromdetektor 50, einen Strompegel-Detektor 51, eine Detektions-Sperreinrichtung 52, einen Phasenschieber 53 und einen Zuführungssignal-Generator 54. Die Klemmenspannung des bürstenlosen DC-Motors 1 wird an den Detektor 23 der elektromotorischen Gegenkraft angelegt und die elektromotorische Gegenkraft der offen-Phasen wird auf Grundlage der Klemmenspannung detektiert. Der Stromdetektor 50 und der Strompegel-Detektor 51 bilden zusammen eine Einrichtung zum Erfassen einer Größe des durch den Motor 1 fließenden Stroms. Der Stromdetektor 50 verwendet Komponenten, wie beispielsweise einen Nebenschluß-Widerstand und einen Stromtransformator, um die gewünschte Detektion zu erzielen. Der Strompegel-Detektor 51 ist einfach unter Verwendung einer Spitzenwert-Halteschaltung angeordnet. Die Detektions-Sperreeinrichtung 52 ist eine Schaltung, um eine weitere Detektion der elektromotorischen Gegenkraft unmittelbar, nachdem eine Kommutation aufgetreten ist, zu unterbinden bzw. zu sperren. Der Phasenschieber 53 verzögert die Phase des Ausgangssignals von der Detektions- Sperreinrichtung 52 um einen elektrischen Winkel von 300. Der Zuführungssignal-Generator 54 ist eine Schaltung, um ein Signal zu erzeugen, mit dem der Umrichter 22 angesteuert wird.
Unter Bezugnahme auf Fig. 13 verwendet der Detektor 23 der elektromotorischen Gegenkraft eine Vielzahl von Komparatoren 55, um einen Mittenpunkt mit einer Klemmenspannung des Motors 1 zu vergleichen, so daß die Klemmenspannung m1 des bürstenlosen DC-Motors 1 und der Ausgang m2 des Detektors 23 der elektromotorischen Gegenkraft Wellenformen aufweisen, wie jeweils in Fig. 14 gezeigt. Unter Bezugnahme auf Fig. 14 hängt eine Zeitperiode t, für die eine elektrische Energie ausgesendet wird, von der Last und der Drehfrequenz ab. Ein Stromwert 1 und die Aussendezeitperiode t der elektrischen Energie sind in Fig. 15 auf Grundlage der Daten, die experimentell unter Verwendung der Drehfrequenz als ein Parameter erhalten wird, dargestellt. Wie sich aus Fig. 15 ersehen läßt, wird die Aussendezeitperiode t der elektrischen Energie verlängert, wenn die Drehfrequenz herabgesetzt wird. Demzufolge sollte die Steuereinrichtung die Detektion der elektromotorischen Gegenkraft für eine längere Zeitperiode als die Zeitperiode, die der erwarteten minimalen Drehfrequenz entspricht, sperren. Jedoch würde diese Sperr- Zeitperiode, die einen elektrischen Winkel von 300 überschreitet, zu einer Sperrung der Detektion der elektromotorischen Gegenkraft führen, die erfaßt werden muß.
Fig. 16 zeigt beispielhaft die Detektions-Sperreinrichtung 52. Ein Zuführungs-Beendigungssignal für einen unteren Anker wird an einen Eingangsanschluß 57 eines monostabilen Multivibrators 56 angelegt (nachstehend einfach als Monomulti bezeichnet), während ein Zuführungs-Beendigungssignal für einen oberen Anker an einen Eingangsanschluß 59 eines Monomulti 58 angelegt wird. Das Ausgangssignal des Strompegel-Detektors 51 wird an Anschlüsse 61, 62, 63 der jeweiligen Monomultis 56, 58 angelegt und dadurch wird eine Periode der Ausgangsimpulse variiert. In diesem spezifischen Beispiel wird die Periode der Ausgangsimpulse durch einen EIN/AUS-Zustand von Zeitsteuerungs-Kondensatoren variiert. Die Signale, die in der Schaltung der Fig. 16 auftreten, weisen jeweilige Wellenformen auf, wie in Fig. 17 dargestellt. Wenn, unter Bezugnahme auf Fig. 17 m4 sich auf einem hohen Pegel befindet, wird m2 mit Masse verbunden und deshalb wird kein Signal übertragen. Wenn sich m5 auf einem hohen Pegel befindet, ist auch ein Ausgang eines ODER-Gatters 64 auf einem hohen Pegel. Somit sind m4 und m5 angeordnet wie in Fig. 17 gezeigt, um die Detektion zu unterbinden, solange die elektrische Energie gerade ausgesendet wird. m3 ist eine Ausgangswellenform der Detektions-Sperreinrichtung 52. Es sei darauf hingewiesen, daß die Schaltung aus Fig. 16 in einer Anzahl entsprechend der Anzahl von Motor-Phasen vorgesehen werden muß. Das Signal, welches die Wellenform m3 aufzeigt, führt die normale Zuführungszeitgabe um einen elektrischen Winkel von 300 und deshalb muß der Phasenschieber 53 eine Verzögerung entsprechend diesem elektrischen Winkel von 300 vorsehen. Der Phasenschieber 53 ist einfach unter Verwendung eines Zählers verwirklicht. Auf Grundlage des Ausgangssignals des Phasenschiebers 53 erzeugt der Zuführungssignal-Generator 54 ein Ansteuersignal für den Umrichter 22. Manchmal wir der Phasenschieber 53 in Abhängigkeit von der bestimmten Vorgehensweise, in der der Winkel der Führung gesteuert wird, weggelassen.
Wie sich aus der vorangehenden Beschreibung ergibt, ermöglicht die obige Steuerschaltung, daß die Positionssensor-lose Steuerung erreicht wird und zwar auf der Basis der genauen Kommutationszeitgabe, selbst wenn die Last und/oder die Drehfrequenz schwankt. Demzufolge kann die Positionssensor-lose Ansteuerung für das bestimmte Anwendungsgebiet verwendet werden, bei dem eine positionssensorfreie Ansteuerung gewöhnlicherweise unpraktisch gewesen ist.
Noch eine andere Steuerschaltung, die in Fig. 1 verwendbar ist, wird unter Bezugnahme auf die Fig. 18 und 19 beschrieben.
Diese Steuerschaltung 24 umfaßt, wie in Fig. 18 gezeigt, eine Detektions-Sperreinrichtung 52, einen Phasenschieber 53, einen Zuführungssignal-Generator 54 und einen Drehfrequenz- Detektor 65.
Die Detektions-Sperreinrichtung 52 sperrt eine weitere Detektion der elektromotorischen Gegenkraft, unmittelbar nachdem die Kommutation aufgetreten ist. Der Phasenschieber 53 verschiebt die Phase des Ausgangssignals von der Detektions-Sperreinrichtung 52 um einen elektrischen Winkel von 30º. Der Zuführungssignal-Generator 54 dient zum Erzeugen eines Signals, mit dem der Umrichter 22 angesteuert wird. Der Drehfrequenz-Detektor 65 erfaßt die Drehfrequenz des Motors 1 und die Drehfrequenzinformation, die daraus bereitgestellt wird, wird an die Detektions-Sperreinrichtung 52 angelegt.
Ein Detektor der elektromotorischen Gegenkraft (= Modusdetektor) 23 besitzt die ähnliche Anordnung wie diejenige in der vorangehenden fünften Ausführungsform und stellt die Ausgangswellenform m2 bereit, wie in Fig. 14 dargestellt. Die Drehfrequenz N und die Aussendezeit-Periode t der elektrischen Energie sind graphisch in Fig. 19 auf Grundlage der Daten, die experimentell unter Verwendung der Last als ein Parameter erhalten werden, gezeigt. Wie aus Fig. 19 ersichtlich wird die Aussendezeit-Periode t der elektrischen Energie verlängert, wenn die Drehfrequenz verringert wird.
Demzufolge sollte auch diese Steuereinrichtung die Detektion der elektromotorischen Gegenkraft für eine längere Zeitperiode als die Zeitperiode entsprechend der erwarteten minimalen Drehfrequenz sperren. Jedoch würde diese Sperrzeit- Periode, die einen elektrischen Winkel von 300 überschreitet, zu einem Sperren der Detektion der elektromotorischen Gegenkraft, die detektiert werden muß, führen.
Die Detektions-Sperreinrichtung 52 ist von der Anordnung, die ähnlich zu derjenigen in der vorangehenden Steuereinrichtung aus Fig. 16 ist, und stellt die Ausgangswellenform bereit, wie in Fig. 17 gezeigt. Das Ausgangssignal läuft der normalen Zuführungszeitgabe um einen elektrischen Winkel von 300 voraus und deshalb muß der Phasenschieber 53 eine Verzögerung entsprechend dem elektrischen Winkel von 300 bereitstellen. Im Ansprechen auf den Phasenschieber 53 erzeugt der Zuführungssignal-Generator 54 ein Ansteuersignal für den Umrichter 22.
Wie sich aus der vorangehenden Beschreibung ersehen läßt, ermöglicht die eben beschriebene Steuereinrichtung zur Verwendung in Fig. 1 ebenfalls, daß die Positionssensor-lose Ansteuerung erzielt werden kann, und zwar auf der Grundlage der genauen Kommutationszeitgabe, selbst wenn die Last und die Drehfrequenz schwankt. Demzufolge kann die positionssensorfreie Ansteuerung für das bestimmte Anwendungsgebiet verwendet werden, in dem eine derartige positions-sensorfreie Ansteuerung gewöhnlicherweise unpraktisch gewesen ist. Während die eben beschriebenen und die vorangehenden Steuereinrichtungen voranstehend so beschrieben worden sind, daß sie die Detektion der elektromotorischen Gegenkraft gemäß dem sogenannten Mittelpunkt-Vergleich verwenden, sei darauf hingewiesen, daß diese Steuereinrichtungen auch auf den Fall anwendbar sind, bei dem die elektromotorische Gegenkraft auf Grundlage der eingeschalteten Zustände der Rückkopplungsdioden erfaßt wird, wie voranstehend erwähnt.
Abschließend wird eine andere Steuerschaltung unter Bezugnahme auf die Fig. 20 bis 25 beschrieben, wobei der Fall angenommen wird, bei dem ein bürstenloser Dreiphasen-DC-Motor verwendet wird. Fig. 20 ist ein Blockdiagramm, das allgemein eine Anordnung dieser Steuereinrichtung zeigt.
Diese Steuereinrichtung 24 umfaßt einen Stromdetektor 50, einen Isolationsverstärker 66, einen Rotorpositions-Detektor 67 und einen Zuführungssignal-Generator 54. Der Stromdetektor 50 dient zur Erfassung einer Wellenform eines durch den DC- Motor fließenden Stroms unter Verwendung von Komponenten wie beispielsweise einem Nebenschlußwiderstand und einem Stromtransformator. Der Zuführungssignal-Generator 54 erzeugt ein Signal, mit dem der Umrichter 22 angesteuert wird. Der Isolationsverstärker 66 und der Rotorpositions-Detektor 67 bilden zusammen eine Einrichtung zum Erfassen der Stromwellenform und dadurch zum Detektieren der Position des Permanentmagnet-Rotors 3. Der Rotorpositions-Detektor 67 besitzt eine Anordnung, wie in Fig. 21 gezeigt.
Ein Ausgang n1 des Isolationsverstärkers 66 wird an einen A/D-Wandler 68 angelegt, der die Stromwellenform einer gegebenen Periode abtastet und diese digitalisiert. Die so digitalisierte Stromwellenform wird an einen Mikrocomputer 72 angelegt, der eine CPU 69, ein RAM 70 und ein ROM 71 umfaßt, und der Mikrocomputer 72 diagnostiziert die Wellenform. Ferner wird ein Startsignal an einen Eingangsanschluß 73 des Mikrocomputers 72 angelegt.
Nachstehend wird ein Betrieb der Steuereinrichtung, so wie sie oben beschrieben wurde, unter Bezugnahme auf das Flußdiagramm aus Fig. 22 beschrieben.
Bei der Anlegung des Startsignals erzeugt der Mikrocomputer 72 ein Signal einer gegebenen Periode von seinem Ausgangsanschluß 75 und dieses Signal wird an den Zuführungssignal-Generator 54 angelegt, wodurch ein synchronisierter Lauf des bürstenlosen DC-Motors 1 verursacht wird (Schritt T21). Der synchronisierte Lauf wird für eine vorgegebene Zeitperiode t fortgesetzt, bis der bürstenlose DC-Motor 1 eine vorgegebene Drehfrequenz erreicht (Schritt T22). Die gegebene Zeitperiode t hängt von den Charakteristiken des tatsächlich verwendeten bürstenlosen DC- Motors ab.
Nachdem der bürstenlose DC-Motor den synchronisierten Lauf für die vorgegebene Zeitperiode t im Schritt T22 fortgesetzt hat, bestimmt der Mikrocomputer 72 in einem Schritt T23, ob eine Zuführung (Kommutation) an die Phase, in der die Stromwellenform gerade detektiert wird, gestartet ist oder nicht. Wenn die Bestimmung bejahend ist, wird die Stromwellenform, die von dem A/D-Wandler 68 ausgegeben wird, aufgenommen und in dem RAM 70 gespeichert (Schritt T24), bis der Zuführungsmodus umgeschaltet wird (Schritt T25) . Wenn der Zuführungsmodus in den Schritt T25 umgeschaltet worden ist, liest die CPU 69 die in dem RAM 70 gespeicherte Stromwellenform und detektiert dadurch die Spitzenposition der Stromwellenform (Schritt T26, Schritt T27), um die Position der magnetischen Pole des Rotors zu erfassen.
Wenn die Stromwellenform detektiert worden ist, beispielsweise so daß sie die Spitzenposition aufweist, die auf der Mitte (t&sub1; = t&sub2;) zwischen dem Kommutationsstartpunkt und dem Zuführungsmodus-Schaltpunkt liegt, wie in Fig. 23 gezeigt, wird bestimmt, daß die gegenwärtige Zuführungszeitgabe mit der relativen Position des Rotors und der Statorspulen übereinstimmt. Wenn die Spitzenposition auf der zweiten Hälfte (t&sub1; > t&sub2;) liegt, wie in Fig. 24 gezeigt, dann wird bestimmt, daß die Zuführungszeitgabe verzögert ist. Wenn die Spitzenposition auf der ersten Hälfte (t&sub1; < t&sub2;) liegt, wie in Fig. 25 gezeigt, wird bestimmt, daß die Zuführungszeitgabe vorgerückt werden muß.
Wenn t&sub1; = t&sub2; ist, wird die Zuführung mit dieser Zeitgabe fortgesetzt, und wenn t&sub1; > t&sub2; ist, wird die Zuführungszeitgabe um einen vorgegebenen Betrag vorgerückt (Schritt T28). Wenn t&sub1; < t&sub2; ist, wird die Zuführungszeitgabe um einen vorgegebenen Betrag verzögert (Schritt T29).
Sobald die Zuführungszeitgabe verändert worden ist, wird auf die nächste Zuführung gewartet und beim Starten der Zuführung wird der oben erwähnte Betrieb wiederholt. In dieser Weise kann die genaue Kommutationszeitgabe erhalten werden, selbst wenn die Drehfrequenz und/oder die Last schwanken. Jedoch wird eine übermäßige verzögerung &sub9;der ein übermäßiges Vorrücken der Zeitgabe zu einer Wiederholung von t&sub1; > t&sub2; und t&sub1; < t&sub2; führen.
Wie sich aus der vorangehenden Beschreibung entnehmen läßt, ermöglicht die eben beschriebene Steuereinrichtung die stabile Positionsdetektion des Rotors, selbst wenn der Rotor strukturell verhindert, daß sich die elektromotorische Gegenkraft in den offen-Phasen linear verändert. Ferner kann die Kommutation immer mit der genauen Zeitgabe erreicht werden, weil die Zuführungszeitgabe immer auf Grundlage der Stromwellenform überwacht wird.

Industrielle Anwendung

Obwohl er keinen Positionssensor aufweist, kann der bürstenlose DC-Motor der Erfindung die Rotorposition genau erfassen, eine geeignete strukturelle Festigkeit sicherstellen und eine feine Drehsteuerung erreichen. Hinsichtlich dieser Fähigkeiten eignet sich der bürstenlose DC-Motor der Erfindung zur Verwendung unter extremen Bedingungen, beispielsweise einer hohen Temperatur, die gewöhnlicherweise von dem Kompressor vom Schrauben-Typ angetroffen wird.

Claims

1. Ein bürstenloser DC-Motor (1) ohne Positionssensor, umfassend:

a) einen Stator (2), der in einem Motorgehäuse befestigt ist, und einen Rotor (3), der sich innerhalb des Stators (2) befindet und drehbar von dem Motorgehäuse über eine drehbare Welle (4) gehalten wird;

b) wobei der Stator (2) eine Vielzahl von vorstehenden stationären magnetischen Polen (5) aufweist, wobei innere Endoberflächen (6) der stationären magnetischen Pole (5) im wesentlichen in gleichen Abständen zu der drehbaren Welle (4) auf einer Umfangsoberfläche liegen;

c) wobei der Rotor (3) geradzahlige sich drehende magnetische Pole (8, 9, 10, 11) aufweist und wobei äußere Endoberflächen (14, 15, 16, 17) der sich drehenden magnetischen Pole (8, 9, 10, 11) alternierend verschiedene Polaritäten in der Umfangsrichtung des Rotors (3) aufweisen;

d) wobei jede der äußeren Endoberflächen (14, 15, 16, 17) gegenüberliegend zu einigen Enden der stationären magnetischen Poloberflächen (6) in einem geringen Abstand (d&sub0;, d&sub1;, d&sub2;) dazu angeordnet sind;

e) wobei die äußeren Endoberflächen (14, 15, 16, 17) einen minimalen Abstand (d&sub0;) an einem vorgegebenen Punkt in einem Abstand von den stationären magnetischen Poloberflächen (6) aufweisen und größere Abstände (d&sub1;, d&sub2;) in der Drehrichtung und der Gegendrehrichtung aufweisen;

f) wobei Feld-Permanentmagnete (12, 13) zwischen die sich drehenden magnetischen Pole (8, 9, 10, 11) und die Drehwelle (4) parallel zu der Drehwelle (4) eingefügt sind, und wobei die Feld- Permanentmagneten (12, 13) gegenüberliegend parallel zueinander liegen, wobei die Drehwelle (4) dazwischenliegend angeordnet ist; und

g) wobei die gegenüberliegenden lateralen Seiten jedes der Feld-Permanentmagneten (12, 13) abgeschrägt sind, so daß die äußere magnetische Poloberfläche des jeweiligen Feld-Permanentmagneten (12; 13), die nach außen in Richtung auf die stationären magnetischen Pole (5) hin gerichtet ist, kleiner als die innere magnetische Poloberfläche davon, die in Richtung auf die Drehwelle (4) nach innen hin gerichtet ist, ist.

2. Ein bürstenloser DC-Motor (1) ohne Positionssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß: die äußeren Endoberflächen (14, 15, 16, 17) der sich drehenden magnetischen Pole (8, 9, 10, 11) gebildet sind, indem integral viele Silizium-Stahlbleche laminiert werden, so daß kreisförmig gekrümmte Oberflächen, die von den jeweiligen sich drehenden Poloberflächen (14, 15, 16, 17) definiert werden, eine Krümmung aufweisen, die größer als diejenige der Umfangsoberfläche ist, auf der die stationären magnetischen Poloberflächen (6) liegen.

3. Ein bürstenloser DC-Motor (1) ohne Positionssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß: die Feld-Permanentmagnete (12, 13) in dem Rotor (3) an Basisteilen der sich drehenden magnetischen Pole (8, 9, 10, 11) angeordnet sind, so daß sie auf gegenüberliegenden Seiten diametral von der Drehwelle (4) auf eine jeweilige sich drehende magnetische Poloberfläche (14; 16) hin gerichtet liegen und ihre jeweiligen entsprechenden magnetischen Pole (N) einander gegenüberliegend angeordnet sind.

4. Ein bürstenloser DC-Motor (1) ohne Positionssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kleinere äußere magnetische Poloberfläche der N-Pol des Feld- Permanentmagneten (12; 13) ist und die größere innere magnetische Poloberfläche der 8-Pol des Feld- Permanentmagneten (12; 13) ist.

5. Ein bürstenloser DC-Motor (1) ohne Positionssensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Feld- Permanentmagneten (12, 13) in dem Rotor (3) parallel zu der Drehwelle (4) angeordnet sind.