DE69407286T2

DE69407286T2 - Elektromotorantrieb

Info

Publication number: DE69407286T2
Application number: DE69407286T
Authority: DE
Inventors: Charles Pollock; Chi Yao Wu
Original assignee: University of Warwick
Current assignee: University of Warwick
Priority date: 1993-05-29
Filing date: 1994-05-27
Publication date: 1998-06-25
Anticipated expiration: 2014-05-28
Also published as: DE69407286D1; AU6932494A; GB9311176D0; WO1994028618A1; IN189492B; EP0700594B1; EP0700594A1; US5767638A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Das Verfahren und die Vorrichtung finden eine besondere, jedoch nicht ausschließliche Anwendung bei der Ansteuerung geschalteter Reluktanzmotoren.
Geschaltete Reluktanzmotoren bieten einen voll steuerbaren elektromotorischen Antrieb mit hohem Drehmoment und einfacher Konstruktion. Geschaltete Reluktanzmotoren sind jedoch in einigen potentiellen Anwendungsgebieten zumindest teilweise auf Ablehnung gestoßen, weil sie im Betrieb akustisch relativ geräuschvoll sind.
Bei einem typischen geschalteten Reluktanzmotor ist ein Rotor drehbar innerhalb eines Stators gelagert. Der Stator hat mehrere nach innen gerichtete vorspringende Pole mit je einer entsprechenden Wicklung. Der Rotor hat ebenfalls mehrere nach außen gegen die Pole des Stators vorspringende Pole. Kombinationen der Wicklungen sind üblicherweise in Reihe zusammengeschaltet, wobei jede Kombination eine Phasenwicklung darstellt. Überwiegend umfassen die Phasenwicklungen Wicklungspaare auf diametral einander gegenüberliegenden Statorpolen. Eine Ansteuerschaltung, auch als Leistungsumformer bekannt, dient zur Steuerung von Spannung und Strom in den Wicklungen.
Wenn eine Phasenwicklung durch Anlegen einer Spannung beaufschlagt wird, erzeugt dies einen magnetischen, die statorpole verbindenden Fluß und übt auf den Rotor ein Drehmoment aus, welches bestrebt ist, den Rotor so zu drehen, daß seine Pole mit den Polen des Stators, deren Wicklungen beaufschlagt sind, zur Deckung kommen. Indem aufeinanderfolgende Phasenwicklungen um den Stator herum nacheinander beaufschlagt werden, kann der Rotor zu einer kontinuierlichen Rotation veranlaßt werden, deren Geschwindigkeit durch die Frequenz bestimmt ist, mit der die aufeinanderfolgenden Phasenwicklungen beaufschlagt werden. Der Leistungsumformer steuert den Strom in den Phasenwicklungen, um so das Drehmoment zu steuern. Der Leistungsumformer liefert hierbei einen Anstieg des Stroms, bevor der Rotor seine ausgerichtete Stellung erreicht, begrenzt die Stärke des Stroms (besonders bei niedrigen Geschwindigkeiten) und senkt den Strom nahe, doch üblicherweise gerade noch vor Erreichung der ausgerichteten Stellung rasch ab. Es sind viele verschiedene Leistungsumformer bekannt, meist jedoch in zwei Bauformen. Die erste Bauform kann an die Wicklungen positive und negative Spannungen und die Spannung Null anlegen; der Zustand der Spannung Null ist als Schaltkreis der Spannung Null oder Freilaufzustand bekannt. Die zweite Bauform kann an die Wicklungen nur positive oder negative Spannung anlegen.
Bis jetzt hat sich die Erforschung akustischer Geräusche bei geschalteten Reluktanzmotoren auf die Analyse des Frequenzbereichs des erzeugten Geräuschs konzentriert. Auf dem Wege zur vorliegenden Erfindung haben die Anmelder jedoch eine Zeitbereichsanalyse durchgeführt. Ihre Untersuchungen fanden heraus, daß signifikante Komponenten des erzeugten Geräuschs in vorübergehenden Impulsen erzeugt werden, die synchron mit dem Umschalten zwischen aufeinanderfolgenden Statorpolen entstehen. Weitere Untersuchungen fanden heraus, daß diese Impulse zumindest teilweise durch Vibrationen in dem Stator erzeugt werden, die daher rühren, daß einander gegenüberliegende Statorpole bei Beaufschlagung ihrer Wicklungen voneinander angezogen werden, so daß der Stator entlang der Linie der beaufschlagten Pole nach innen verbogen wird und unter Freigabe von Energie wieder nach außen springt, wenn die Spulen abgeschaltet werden. Tatsächlich werden die Vibrationen durch Änderungen in der Radialkraft auf den Stator eingeleitet; die radiale Kraft ist vom Fluß abhängig, der wiederum eine Folge der an die Phasenwicklung angelegten Spannung ist und somit sich mit der angelegten Spannung ändert. Als Ergebnis neigt jede stufenförmige Änderung der an die Wicklung angelegten Spannung dazu, Geräusch und/- oder Vibration zu erzeugen.
Bei einem bekannten geschalteten Reluktanzmotor und der entsprechenden Steuereinrichtung nach der WO 90/16111 geht es um die Verbesserung des Wirkungsgrades des Motors. Der Leistungsumformer gehört zu dem Typ mit einem Freilaufzu stand und besitzt zwei Schalter zur Steuerung der an die Wicklungen angelegten Spannung. Die Schalter werden bei einem gegebenen Drehwinkel gleichzeitig geschlossen, um eine Wicklung an eine positive Spannung anzulegen. Ein Schalter wird bei einem festen Drehwinkel geöffnet, um die Wicklung an die Spannung Null anzulegen, und der andere Schalter wird bei einem unveränderlichen Winkel nach dem Schließen geöffnet, um eine negative Spannung anzulegen. Der Motor arbeitet für eine relativ lange Zeit in dem Schaltkreis der Spannung Null, was die Kernverluste minimiert, indem sichergestellt wird, daß die gespeicherte magnetische Energie in Drehmoment umgewandelt, statt in die Spannungsquelle zurückgeführt wird. Diese Betriebsart des Motors kann ebenfalls das akustische Geräusch verringern, weil die radiale Kraft auf den Stator reduziert wird. Dieser Motor und die Steuereinrichtung zielen jedoch nicht in erster Linie auf die Reduktion des akustischen Geräuschs ab.
Die vorliegende Erfindung hat in einem ersten Aspekt ein Verfahren zur Ansteuerung eines elektrischen Motors zum Gegenstand, welches einen Schaltvorgang umfaßt, bei welchem der Strom in einer Wicklung von einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand umgeschaltet wird, wobei der Schaltvorgang umfaßt, daß wenigstens erste und zweite Schaltschritte ausgeführt werden, um den Strom von dem ersten Zustand in den zweiten Zustand umzuschalten und wobei der Zeitabstand zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltschritt zwischen einem Viertel und drei Vierteln der Schwingungsdauer einer dominanten Vibrationsfrequenz des Motors oder sich auf ein ganzzahliges Vielfaches der Schwingungsdauer plus einem Teil zwischen einem Viertel und drei Vierteln der besagten Schwingungsdauer beläuft.
Die Wirkung dieses Verfahrens besteht darin, daß durch den ersten Schaltschritt eine erste Vibration hervorgerufen wird, und daß außer Phase mit der ersten Vibration eine weitere Vibration durch den zweiten Schaltschritt hervorgebracht wird, wobei das Ergebnis ist, daß die beiden Vibrationen sich zumindest teilweise gegenseitig aufheben. Das Verfahren reduziert daher das Geräusch und/oder die Vibration, die durch die Beauf schlagung und Abschaltung der Wicklungen zustandekommen. Der Motor wird kontinuierlich angetrieben, indem aufeinanderfolgende Phasenwicklungen unter Verwendung des Verfahrens der Erfindung umgeschaltet werden.
Vorzugsweise ist der Zeitabstand zwischen den Umschaltschritten ungefähr gleich der Hälfte der besagten Schwingungsdauer oder ein ganzzahliges Vielfaches plus eine Hälfte der besagten Schwingungsdauer.
Die dominante Frequenz kann experimentell beispielsweise durch an dem Motor angebrachte Geschwindigkeits- oder Beschleunigungssensoren gemessen werden oder indem ein Mikrofon zur Analyse des von dem Motor in Betrieb hervorgerufenen akustischen Geräuschs eingesetzt wird. Sie kann auch theoretisch berechnet werden, beispielsweise durch eine Finite-Elemente-Analyse der Motorstruktur. Es wurde gefunden, daß bei geschalteten Reluktanzmotoren die dominante Frequenz im allgemeinen einer Eigenfrequenz des Stators bzw. bei Motoren mit Außenläufer des Rotors oder einer Harmonischen derselben entspricht. Wenn mehr als eine dominante Frequenz gefunden wird, kann eine weitere Geräuschreduzierung in einigen Fällen erreicht werden, indem dem Schaltvorgang zusätzliche Stufen hinzugefügt werden, deren Dauer im Einklang mit dem vorbeschriebenen Prinzip bestimmt werden kann.
Die ersten und zweiten Schaltschritte können die einzigen Schaltschritte des Schaltvorgangs sein. Es können jedoch auch zusätzliche Schaltschritte vor, zwischen oder nach den ersten und zweiten Schaltschritten stattfinden. Üblicherweise sind die ersten und zweiten Schaltschritte die ersten und letzten Schaltschritte des Schaltvorgangs.
Es wurde gefunden, daß ein größerer Anteil der geräuschverursachenden Vibration in geschalteten Reluktanzmotoren auftritt, wenn der Strom in einer Wicklung abgeschaltet wird. Es wird daher typischerweise ein bedeutender Vorteil erzielt, wenn das Verfahren der Erfindung nur auf das Abschalten des Stroms in den Wicklungen bei der Kommutation angewendet wird, wobei der erste Zustand in diesem Fall ein Zustand hohen Stroms und der zweite Zustand ein solcher mit niedrigem oder keinem Strom ist. (Die durchgeführten Versuche können jedoch zu dem Ergebnis führen, daß in einigen Motoren das Einschalten des Stroms ein stärkeres Geräusch verursacht.) Eine weitere Geräuschreduzierung kann durch die Anwendung des Verfahrens sowohl auf das Ausschalten als auch auf das Einschalten des Stroms in den Wicklungen erzielt werden. Wenn das Verfahren auf das Einschalten angewendet wird, strömt in dem ersten Zustand kein Strom und in dem zweiten Zustand ein Strom.
Die Untersuchungen haben gezeigt, daß in Fällen, in denen die Frequenz, bei welcher der Strom bei der Beaufschlagung einer Wicklung abgehackt wird, einer dominanten Vibrationsfrequenz des Motors nahekommt, Vibration und akustisches Geräusch durch die Schaltvorgänge erzeugt werden können, die bei dem Abhacken stattfinden. In diesem Fall kann das vorbeschriebene Verfahren der Erfindung auf einen Schaltvorgang angewendet werden, der beim Abhacken stattfindet, anstatt eines Umschaltens oder ebenso gut wie ein Umschalten, welches bei der Kommutierung stattfindet.
Der eingesetzte Schaltvorgang hängt von dem verwendeten Verfahren und dem besonderen eingesetzten Leistungsumformer-Schaltkreis ab. Wenn das Verfahren auf die Kommutation der Wicklungen angewendet wird, wird der höhere Strom in dem ersten Zustand in den Wicklungen in einem Schaltkreis höherer Spannung getrieben und der niedrigere Strom in dem zweiten Zustand in den Wicklungen in einem Schaltkreis niedrigerer Spannung. Die ersten und zweiten Schaltschritte führen dazu, daß der Strom in Schaltkreisen verschiedener Spannung getrieben wird.
Im Falle des Einsatzes eines Leistungsumformer-Schaltkreises mit einem Freilauf-Zustand wird der Strom in dem ersten Zustand in der Wicklung in einem Schaltkreis positiver Spannung getrieben und das Verfahren umfaßt, daß der erste Schaltschritt, der den Strom im Freilauf laufenläßt, in einem Schaltkreis der Spannung Null strömt, und die Durchführung des zweiten Schaltschrittes veranlaßt, daß der Strom in der Wicklung in einem Schaltkreis negativer Spannung getrieben wird, so daß er abnimmt.
In einer Abwandlung wird ein mittlerer Schaltschritt eingeführt, so daß die Ausführung des ersten Schaltschrittes dazu führt, daß der Strom in einem Schaltkreis niedrigerer Spannung getrieben wird, daß die Ausführung des mittleren Schaltschrittes den Schaltkreis hoher Spannung wiederherstellt und daß der zweite Schaltschritt dazu führt, daß der Strom in einem Schaltkreis niedrigerer Spannung getrieben wird.
Wenn also ein Leistungsumformer-Schaltkreis ohne Freilaufzustand verwendet wird, wird in dem ersten Zustand der Strom in einem Schaltkreis positiver Spannung getrieben und das Verfahren umfaßt die Ausführung des ersten Schaltschrittes, so daß der Strom in einem Schaltkreis negativer Spannung getrieben wird, die Ausführung des mittleren Schaltschrittes zur Wiederherstellung des Schaltkreises positiver Spannung und die Ausführung des zweiten Schaltschrittes zur Wiederherstellung des Schaltkreises negativer Spannung.
Das modifizierte Verfahren kann auch angewendet werden, wenn ein Leistungsumformer-Schaltkreis mit einem Freilauf- Zustand verwendet wird. Hierbei wird in dem ersten Zustand der Strom in einem Schaltkreis positiver Spannung getrieben. Das Verfahren umfaßt die Ausführung des ersten Schaltschrittes, um den Strom im Freilauf in einem Schaltkreis der Spannung Null zu treiben, die Ausführung des mittleren Schaltschrittes zur Wiederherstellung des Schaltkreises positiver Spannung und die Ausführung des zweiten Schaltschrittes zur Wiederherstellung des Schaltkreises der Spannung Null. Diese Dreischritt-Methode kann verwendet werden, wenn der Motor für einen ausgedehnten Zeitraum in dem Schaltkreis der Spannung Null betrieben werden muß, wie in WO 90/16111. Die Ausführung der drei Schaltschritte anstelle des in WO 90/16111 beschriebenen einzelnen Schaltschrittes reduziert das durch diesen Schaltschritt erzeugte Geräusch. Alternativ kann der erste Schaltschritt den Strom in einem Schaltkreis negativer Spannung treiben. Die Dreischritt-Methode kann dann für den zweiten Teil des Betriebs der WO 90/16111 verwendet werden, wenn der Strom auf Null reduziert werden muß, so daß die Ausführung des ersten Schaltschrittes den Strom in einem Schaltkreis negativer Spannung treibt, die Ausführung des mittleren Schaltschrittes den Schaltkreis der Spannung Null wiederherstellt und die Ausführung des zweiten Schaltschrittes den Schaltkreis der negativen Spannung wiederherstellt. Als Alternative kann der mittlere Schaltschritt den Strom in einem Schaltkreis positiver Spannung treiben. Die Dreischritt-Methode kann bei unterschiedlichen Umständen angepaßt werden, so daß beispielsweise die Schaltschritte nacheinander Schaltkreise positiver Spannung, der Spannung Null, positiver und negativer Spannung zur Folge haben.
In einer weiteren Abwandlung umfaßt die Methode ein Paar oder mehrere Paare weiterer mittlerer Schaltschritte vor dem zweiten Schaltschritt. Diese Vielschritt-Methode arbeitet in einer Weise ähnlich dem Zerhacken und liefert einen konstanten Strom oder eine allmähliche Reduzierung des Stroms über zumindest einen Teil der Kommutation. Dies kann zu bevorzugen sein gegenüber einem ausgedehnten Zeitabschnitt in einem Schaltkreis der Spannung Null, was zu einem Verlust an Drehmoment führen kann.
Wenn ein Leistungsumwandlungs-Schaltkreis ohne Freilauf benutzt wird, umfaßt die Vielschritt-Methode die Dreischritt-Methode und die Ausführung eines Paars oder mehrerer Paare weiterer mittlerer Schaltschritte, von denen der erste des Paars den Schaltkreis negativer Spannung wiederherstellt und der zweite des Paars den Schaltkreis positiver Spannung wiederherstellt, bevor der zweite Schaltschritt ausgeführt wird.
Im Falle des Einsatzes eines Leistungsumformer-Schaltkreises mit einem Freilauf-Zustand und wenn dabei der Strom in dem ersten Zustand in einem Schaltkreis positiver Spannung getrieben wird, umfaßt die Vielschritt-Methode die Ausführung des ersten Schaltschrittes derart, daß der Strom in einem Schaltkreis der Spannung Null oder einer negativen Spannung getrieben wird, die Ausführung des mittleren Schaltschrittes zur Wiederherstellung des Schaltkreises positiver Spannung, die Ausführung eines oder mehrerer Paare weiterer mittlerer Schaltschritte, von denen der erste des Paares den Strom in einem Schaltkreis der Spannung Null oder einer negativen Spannung treibt und von denen der zweite des Paars den Schaltkreis positiver Spannung wiederherstellt, und die Ausführung des zweiten Schaltschrittes, um den Strom in einem Schaltkreis negativer Spannung zu treiben. Die Anzahl und die zeitliche Abfolge der Paare der mittleren Schaltschritte werden so gewählt, daß sich die erforderliche Verringerung des Stroms von dem ersten Zustand zu dem zweiten Zustand einstellt. Es kann sogar der Strom über die gesamte Kommutationsdauer allmählich verringert werden, anstatt einen raschen Abfall am Ende vorzusehen, obwohl dies zu einem Verlust an Drehmoment führen kann, der nachteilig sein kann.
Es kann also ein geeignetes erfindungsgemäßes Verfahren eingesetzt werden um das Geräusch zu reduzieren, welches durch irgendeine stufenweise Änderung der an die Wicklung angelegten Spannung erzeugt wird.
Das Verfahren hat sich zur Reduzierung des durch geschaltete Reluktanzmotoren erzeugten Geräuschs besonders wirksam erwiesen. Es kann jedoch auch zur Verringerung des von anderen Motortypen erzeugten Geräuschs wirksam sein, bei welchem einer Wicklung ein geschalteter oder sich schnell verändernder Strom zugeführt wird, wie zum Beispiel bei bürstenlosen Permanentmagnetmotoren.
In einem zweiten Aspekt ergibt die Erfindung eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines Elektromotors mit mindestens einer Wicklungsspule, wobei die Vorrichtung eine Leistungsquelle, einen Leistungsumformer-Schaltkreis mit Schaltern zum Anlegen einer Spannung an die Wicklungen zum Treiben eines Stroms in den Wicklungen und eine Steuereinrichtung zur Steuerung des Betriebs des Leistungsumformer-Schaltkreises umfaßt, wobei die Steuereinrichtung Mittel zum Betrieb der Schalteranordnung aufweist, um den Strom in einer Wicklung von einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand umzuschalten, wobei die Schalteranordnung zur Ausführung mindestens eines ersten und eines zweiten Schaltschritts ausgelegt ist und der Zeitabstand zwischen den Schaltschritten zwischen einem Viertel und drei Vierteln der Schwingungsdauer einer dominanten Vibrationsfrequenz des Motors oder ein ganzzahliges Vielfaches dieser Schwingungsdauer plus einem Teil zwischen einem Viertel und drei Vierteln der besagten Schwingungsdauer beträgt.
In der Vorrichtung können Leistungsumformer-Schaltkreise vieler bekannter Typen eingesetzt werden. Vorzugsweise können die eingesetzten Leistungsumformer-Schaltkreise in einem Freilaufzustand betrieben werden, in welchem der Stromfluß in einer Phasenwicklung aufrechterhalten wird und dabei Energie weder aus der Leistungsquelle entnommen, noch in diese zurückgeführt wird. Es können übliche asymmetrische Halbbrücken-Schaltkreise verwendet werden. Alternativ können auch Umformer ohne Freilaufzustand wie geteilte Gleichstrom-Umformer, eingesetzt werden. Es sind jedoch auch andere Umformer bekannt, die gegenüber diesen üblichen Konvertern Vorteile haben, wie zum Beispiel die in der GB-A-2 208 456 und in LEE Proceedings, Vol 137, Pt B, No. 6, PP 373-384 offenbarten und können mit Vorteil benutzt werden. Die Steuereinrichtung kann von digitalem oder analogem Typ sein.
Es werden nunmehr jeden Aspekt der Erfindung illustrierende Ausführungsbeispiele im einzelnen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben:
Figur 1 ist eine schematische Ansicht eines geschalteten Reluktanzmotors entlang der Drehachse;
Figur 2 ist ein schematisches Diagramm eines Steuerkreises für den Motor;
Figuren 3a und 3b zeigen simulierte bzw. experimentelle Meßergebnisse des Stroms und der Statorbeschleunigung in einem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren angesteuerten geschalteten Reluktanzmotor;
Figuren 4a und 4b sind den Figuren 3a und 3b ähnlich, zeigen jedoch den Motor bei einer anderen Geschwindigkeit;
Figuren 5a und 5b zeigen simulierte Ergebnisse und Meßergebnisse von Strom und Beschleunigung eines geschalteten Reluktanzmotors, der konventionell bzw. nach einem modifizierten Verfahren angesteuert wurde;
Figuren 6a, 6b und 6c zeigen Strom- und Spannungsdiagramme für ein weiteres modifiziertes Verfahren nach der Erfindung und
Figur 7 ist ein schematisches Diagramm eines weiteren Steuerkreises des Motors.
Der geschaltete Reluktanzmotor nach Figur 1 ist ein typischer in vier Phasen geschalteter Reluktanzmotor mit acht Statorpolen S1, S1' bis S4, S4' und sechs Rotorpolen R. Eine entsprechende Wicklung C1, C1' bis C4, C4' ist um jeden Statorpol S1, S1' bis S4, S4' gewickelt, wobei jede Wicklung mit der Wicklung auf dem diametral gegenüberliegenden Statorpol in Reihe geschaltet ist. Es sind also die Wicklungen C1 und C1' in Reihe geschaltet, die Wicklungen C2 und C2' usw. Jedes Paar von in Reihe geschalteten Wicklungen Cn, Cn' bildet zusammen eine Phasenwicklung.
Die Reluktanz des magnetischen Flußweges zwischen zwei einander diametral gegenüberliegenden Statorpolen Sn, Sn' verändert sich, wenn ein Paar von Rotorpolen sich in die bzw. aus der fluchtenden Stellung zu ihnen bewegt. Wenn Strom in einer Phasenwicklung Cn, Cn' fließt und die Reluktanz des dieser Phasenwicklung zugeordneten magnetischen Flußweges abnimmt, wird Drehmoment produziert, weil der mit vorspringenden Polen versehene Rotor bestrebt ist, in die Fluchtungsstellung zurückzukehren, in welcher er einen Weg minimaler Reluktanz für den Statorfluß bietet. Der der Wicklung aufgeprägte Strom bestimmt das Drehmoment des Motors. Es ist erforderlich, den Strom ansteigen zu lassen, bevor der Rotor die Fluchtungsstellung erreicht, dann die Größe des Stroms zu beschränken und schließlich den Strom rasch abfallen zu lassen, wenn sich der Rotor der Fluchtungsstellung nähert. Der Strom wird gesteuert, indem die an die Wicklung angelegte Spannung geändert wird, und tatsächlich kann die Spannung als die grundlegende Einflußgröße des Betriebs des Motors gesehen werden. Die Spannung bestimmt nämlich die Änderungsgeschwindigkeit des magnetischen Flusses in dem Statorpol. Der Fluß bestimmt auch die Radialkraft auf den Stator, der wiederum die radiale Vibration desselben bestimmt. Die Statorvibration ist in Relation zu dem von dem Motor produzierten akustischen Geräusch, und es scheint eine Änderung des Gradienten der Radialkraft für die Auslösung der Vibration und somit des Geräuschs verantwortlich zu sein.
Figur 2 zeigt einen Steuerkreis mit einem Leistungsumformer-Schaltkreis bekannten Typs, mittels dessen der geschaltete Reluktanzmotor der Figur 1 in der vorstehend beschriebenen Weise ansteuerbar ist.
Der Steuerkreis umfaßt eine Steuereinrichtung 1 in Form eines Mikroprozessors, der die Eingangssignale 2, 3, 4 verarbeitet und über Antriebs-Torkreise 5, 6 einen Leistungsumformer-Schaltkreis 7 für eine Phasenwicklung betreibt. Weitere (nicht dargestellte) Leistungsumformer- Schaltkreise für die anderen Phasenwicklungen sind mit dem Kreis 7 parallelgeschaltet.
Der Leistungsumformer-Schaltkreis 7 umfaßt zwei Stränge, die zwischen die positiven und weniger positiven Gleichstromzufuhrleitungen +V, OV geschaltet sind, wobei jeder Strang einen in Reihe geschalteten Schalter in Form eines isolierten bipolaren Tor-Transistors und eine Diode enthält. In dem ersten Strang ist die Diode D1 zwischen den Schalter SW1 und die andere Zufuhrleitung +V geschaltet, während in dem zweiten Strang die Diode zwischen dem Schalter SW2 und der negativen Zufuhrleitung OV eingefügt ist. In beiden Strängen sind die Dioden D1, D2 so verbunden, daß sie bei geschlossenem entsprechenden Schalter SW1, SW2 in Rückwärtsrichtung vorgespannt sind. Eine Phasenwicklung mit einem Paar von in Reihe geschalteten Spulen Cn, Cn' ist zwischen den Strängen an Punkten zwischen den jeweiligen Dioden D1, D2 und den Schaltern SW1, SW2 angeschlossen. In Figur 2 ist die Phasenwicklung als eine einzige Spule C wiedergegeben.
Die Steuereinrichtung 1 betätigt die Schalter SW1, SW2, um Spannung an die Spule C anzulegen und sie zu beaufschlagen oder abzuschalten. Die Schalter SW1, SW2 sind separat voneinander betätigbar und werden durch den jeweiligen Ansteuer-Torkreis 5, 6 angetrieben, der die Steuersignale verstärkt und auch die Isolation liefern kann. Die Steuereinrichtung 1 verwendet das Eingangssignal 2 des Betreibers (üblicherweise die Sollvorgabe der Geschwindigkeit), das Eingangssignal 3, welches eine Stromrückmeldung von den Wicklungen gibt, und das Eingangssignal 4, welches eine Rückmeldung der Rotorstellung gibt. Sie ist damit in der Lage, den Einschaltwinkel zu berechnen, d.h., diejenige Rotorposition, bei der eine Wicklung beauf schlagt werden sollte, ferner die augenblickliche Stromabweichung, d.h., die Differenz zwischen dem tatsächlichen Strom und dem gewünschten Strom, und schließlich dem Kommutationswinkel, d.h. diejenige Rotorstellung, bei der die Wicklung abgeschaltet werden sollte. Die Steuereinrichtung 1 übermittelt dann die geeigneten Signale an den Leistungsumformer-Schaltkreis 7. Die Steuereinrichtung 1 umfaßt auch als Teil ihrer Programmierung eine Einrichtung 8 zur Steuerung des Schaltvorgangs bei mindestens einem ersten und einem zweiten Schaltschritt bei der Kommutation der Wicklung. Wie in Figur 2 dargestellt, öffnet die Einrichtung 8 den einen Schalter SW2 als ersten Schaltschritt und nach einer festen Zeit den anderen Schalter SW1.
Der Leistungsumformer-Schaltkreis hat drei Hauptbetriebsarten. In einer ersten Betriebsart sind beide Schalter SW1 und SW2 geschlossen, und es ist ein Schaltkreis positiver Spannung gebildet, bei dem die Phasenwicklung C die Zufuhrleitungen +V, OV verbindet. In dieser Betriebsart steigt der Strom in der Phasenwicklung C schnell an und wird dem Motor Strom zugeführt.
Eine zweite Betriebsart tritt auf, wenn irgendeiner der Schalter SW1, SW2 geöffnet wird, während Strom in der Phasenwicklung C fließt. In dieser Betriebsart fließt der Strom in der Phasenwicklung in einem Freilauf-Zustand weiter in einem Schaltkreis der Spannung Null über den geschlossenen Schalter SW1 bzw. SW2 und eine der Dioden D2 bzw. D1, wobei Energie der Gleichstromquelle weder entnommen noch zu dieser zurückgeführt wird. In praktisch vorkommenden Schaltungen fällt der Strom in der Phasenwicklung bei dieser Betriebsart mit der Zeit langsam ab. Wenn einer der Schalter SW1, SW2 in rascher Folge geöffnet und geschlossen wird (ein Vorgang, der als Zerhacken bekannt ist), besteht das Ergebnis darin, daß die Spannung und der Strom während einer Zeitdauer auf einer mittleren Höhe gehalten werden, während derer im Ergebnis eine Energiezufuhr zum Motor stattfindet. Wenn das Zerhacken nicht verwendet wird, beispielsweise wenn der Motor bei hoher Drehzahl oder bei niedrigem Drehmoment betrieben wird, heißt es, daß der Schaltkreis in einer Einzelimpuls-Betriebsart betrieben wird.
Wenn beide Schalter SW1, SW2 offen sind, tritt der Schaltkreis in eine dritte Betriebsart ein. Der Strom in der Phasenwicklung C muß dann durch beide Dioden D1, D2 in einem Schaltkreis negativer Spannung fließen, was zu einem raschen Abfall des Stroms und einer Rückführung von Energie in die Energiequelle führt.
Figur 3a zeigt simulierte Kurven des Stroms (gepunktete Linie 10), die Radialkraft auf den Stator (strichpunktierte Linie 11) und die Beschleunigung des Stators (ausgezogene Linien 12, 13) für einen in der üblichen Weise in der Einzelimpuls-Betriebsart in dem Schaltkreis nach Figur 2 betriebenen Motor, angesteuert nach dem Verfahren der Erfindung. Bei dem üblichen Verfahren fließt beginnend im Bereich 15 kein Strom in der Phasenwicklung C und sind beide Schalter SW1 und SW2 offen. Am Punkt 16 werden beide Schalter SW1, SW2 geschlossen, und es steigt der Strom rasch bis zum Punkt 17 an. Es ist kein Zerhacken erforderlich, und es werden am Punkt 17 beide Schalter geöffnet. Der Schaltkreis tritt in seine dritte Betriebsart ein, und der Strom in der Phasenwicklung C fällt schnell auf Null ab, gemäß der Linie 10'. Die Radialkraft wird durch die Linie 11' wiedergegeben und die Beschleunigung, die für das erzeugte akustische Geräusch repräsentativ ist, durch die obere Kurve 12.
Beim Verfahren der Erfindung wird wie bei der üblichen Betriebsweise der Leistungsumformer-Schaltkreis umgeschaltet, um in seiner ersten Betriebsart am Punkt 16 zu arbeiten, wodurch ein schneller Anstieg des Stroms in der Phasenwicklung C bis zum Punkt 17, dem Kommutationspunkt, verursacht wird, worauf durch die Einrichtung 8 ein Schaltvorgang gestartet wird, um den Strom in der Phasenwicklung C auf Null zu reduzieren. An diesem Punkt, wenn also der Strom in einem ersten hohen Zustand sich befindet, besteht der erste Schaltschritt darin, einen der Schalter SW1, SW2 zu öffnen und den Strom in einem Schaltkreis der Spannung Null im Freilauf zufließen zu lassen und dementsprechend, wie durch die Linie 10" wiedergegeben, relativ langsam abfallen zu lassen. Einen Zeitabstand (in Figur 3a als T dargestellt) später, am Punkt 18, wird in einem zweiten Schaltschritt der zweite der Schalter SW1, SW2 geöffnet, um den Strom in einem Schaltkreis negativer Spannung zu treiben und den Strom in der Phasenwicklung C rasch in einen Endzustand abfallen zu lassen, in welchem jeglicher Stromfluß aufgehört hat. Die zwischen dem Öffnen des ersten der Schalter SW1, SW2 am Punkt 17 und dem Öffnen des zweiten der Schalter SW1, SW2 am Punkt 18 vergehende Zeit wird derart ausgewählt, daß sie in der Nähe der halben Schwingungsdauer der dominanten Vibration des Stators liegt. Alternativ kann die Zeit so gewählt werden, daß sie ein ganzteiliges Vielfaches plus eine Hälfte der besagten Schwingungsdauer beträgt. Die stufenweise Änderung im Gradienten der Radialkraft (Linie 11") wird durch den Einsatz des Verfahrens verringert, und die Beschleunigung, die durch die untere Kurve 13 wiedergegeben wird, wird wesentlich reduziert. Es ist zu erkennen, daß die Statorbeschleunigung aufgrund des ersten Schaltschrittes, die zunächst negativ gerichtet ist, im wesentlichen durch diejenige des zweiten Schaltschrittes aufgehoben wird, die ebenfalls zunächst negativ gerichtet ist, aber mit der ersten Vibration außer Phase ist.
Das Diagramm der Figur 3b zeigt experimentelle Ergebnisse für Strom und Beschleunigung, die die Simulation der Figur 3a bestätigen. Die Experimente haben gezeigt, daß das akustische Geräusch, gemessen durch ein Mikrofon, in ähn licher Weise reduziert wird, wenn der Motor entsprechend der Erfindung angesteuert wird.
Ersichtlich kann das Verfahren der Erfindung auch bei der Kommutation der Wicklung verwendet werden, wenn der Kommutation eine Periode des Zerhackens vorangeht, um vor Erreichen des Punkts 17 einen konstanten Strom aufrechtzuerhalten.
Figur 4a ist ähnlich der Figur 3a und zeigt einen Motor, der wieder in der Einzelimpuls-Betriebsart, jedoch bei höherer Drehzahl angesteuert wird, einmal konventionell und das andere mal nach dem Verfahren der Erfindung. Es sind entsprechende Bezugszahlen verwendet. Bei dem üblichen Verfahren wird eine Wicklung durch Schließen beider Schalter SW1, SW2 des Leistungsumformers am Punkt 16 beaufschlagt, wodurch der Strom ansteigt. Einen vorbestimmten Zeitabstand danach werden beide Schalter am Punkt 17 geöffnet, und es fällt der Strom auf Null ab. Der Abfall des Stroms zwischen den Punkten 19 und 17 ist das Ergebnis einer Gegen-EMF in der Phasenwicklung, die die Spannung des Leistungsumforrners übersteigt, was oft bei höheren Drehzahlen vorkommt. Für die übliche Betriebsweise wird die Radialkraft bei der Kommutierung durch die Linie 11' wiedergegeben und die Beschleunigung durch die obere Kurve 12.
Mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung ist der Betrieb des Leistungsumformers (und deshalb auch der der Phasenwicklung C aufgeprägte Strom) von den Punkten 16 bis 17 identisch zum Stand der Technik, wie vorstehend beschrieben. Nach dem Punkt 17 startet die Einrichtung 8 einen Schaltvorgang, bei dem ein erster Schaltschritt darin besteht, einen der Schalter SW1, SW2 des Leistungsumformers zu öffnen, woraufhin der Strom abzufallen beginnt (Linie 10"). Einen Zeitabstand T später öffnet ein zweiter Schaltschritt den anderen der Schalter SW1, SW2 (am Punkt 18) und der Strom in der Phasenwicklung fällt schneller auf Null ab. Die Wirkung des Verfahrens auf die Radialkraft (Linie 11") und die Beschleunigung (untere Kurve 13) ist wie in Figur 3a klar erkennbar.
Figur 4b zeigt wieder experimentelle Ergebnisse für Strom und Beschleunigung, die die Simulation der Figur 4a bestätigen.
Das vorstehend beschriebene Verfahren wird zur Reduzierung des akustischen Geräuschs durch Reduzierung der Statorvibrationen bei Spannungsänderungen während der Kommutation eingesetzt. Modifikationen des Verfahrens können in ähnlicher Weise zur Geräuschreduzierung bei jeglicher stufenweiser Spannungsänderung an einer Wicklung eingesetzt werden, indem ein oder mehrere Schaltschritte zwischen dem ersten Schaltschritt und dem zweiten Schaltschritt eingeführt werden. Die Einrichtung 8 der Steuerschaltung wird durch Umprogrammierung entsprechend modifiziert.
Ein erstes modifiziertes Verfahren, die Dreischritt-Methode, mit einem mittleren Schaltschritt, ist in Figur 5 dargestellt. Figuren 5a und 5b zeigen Simulationen des Motorbetriebs bei konventioneller Ansteuerung und bei der Dreischritt-Methode. Die Bezugszahlen entsprechen denen der Figuren 3 und 4.
In Figur 5a entspricht die Betriebsweise des Motors der WO 90/16111 und hat dementsprechend einen ausgedehnten Zeit anteil in einem Schaltkreis negativer Spannung. Am Punkt 16 sind dementsprechend beide Schalter SW1 und SW2 geschlossen, um positive Spannung an die Wicklung anzulegen und den Strom steigen zu lassen. Bei einem vorbestimmten Punkt 17 öffnet ein erster Schalter, wodurch der Strom in einem Schaltkreis der Spannung Null getrieben wird, was ihn abfallen läßt, wie in der Linie 10 dargestellt. Der zweite Schalter wird am Punkt 18 geöffnet, einen festen Drehwinkel des Rotors nach dem Punkt 16, so daß der Strom in einem Schaltkreis negativer Spannung getrieben wird, in welchem er rasch abfällt. Ersichtlich erzeugt die Spannungsstufe am Punkt 17 eine Änderung im Gradienten der Radialkraft (Linie 11) und führt zu einer Beschleunigung (Kurve 12), die eine Vibration des Stators (ursprünglich negativ gerichtet) zur Folge hat, deren Frequenz der Art ist, daß mehrere Zyklen während des Schaltkreises der Spannung Null auftreten. Die Spannungsstufe am Punkt 18 erzeugt eine weitere Vibration des Stators, die ebenfalls anfänglich negativ gerichtet ist und in Phase mit der ersten Vibration ist, so daß diese verstärkt wird. Erkennbar wird der Zeitabstand zwischen den Punkten 17 und 18 durch die Drehzahl des Motors beeinflußt, so daß bei bestimmten Geschwindigkeiten die zweite Vibration bestrebt ist, die erste aufzuheben anstatt sie zu verstärken.
Figur 5b zeigt die Dreischritt-Methode der Ansteuerung des Motors. Wiederum sind beide Schalter am Punkt 16 geschlossen und führen zu einem Stromanstieg. Am Punkt 17 steuert die Einrichtung 8 den Schaltvorgang und öffnet beide Schalter als einen ersten Schaltschritt, um den Strom in einem Schaltkreis negativer Spannung zu treiben, schließt dann, bevor die Zeit 1/2T vergangen ist, die Schalter wieder als einen mittleren Schaltschritt, um den Schaltkreis positiver Spannung wiederherzustellen, und öffnet kurz vor Ablauf einer Zeit T nach dem ersten Schaltschritt einen Schalter als zweiten Schaltschritt, um den Strom in einem Schaltkreis der Spannung Null im Freilauf strömen zu lassen. Am Punkt 18 steuert die Einrichtung 8 einen ähnlichen Schaltvorgang. Als ein erster Schaltschritt wird der zweite Schalter geöffnet, um einen Schaltkreis negativer Spannung zu liefern; als mittlerer Schaltschritt wird ein Schalter geschlossen, um den Schaltkreis der Spannung Null wiederherzustellen, und kurz bevor eine Zeit T nach dem ersten Schaltschritt vergangen ist, wird dieser Schalter geöffnet, um den Schaltkreis negativer Spannung wiederherzustellen und den Strom rasch absinken zu lassen.
Bei dem ersten Schaltvorgang erzeugt der erste Schaltschritt eine Vibration (die anfänglich negativ gerichtet ist) und der mittlere Schaltschritt erzeugt eine mittlere Vibration, die aber anfänglich positiv gerichtet ist, da die Spannungsänderung positiv ist, was die Vibration rasch auf Null zurückführt. Dieser Schaltschritt muß ausgeführt sein, bevor die erste Vibration ihr negatives Maximum bei der Zeit 1/2T erreicht, da sonst die mittlere Vibration die erste verstärken würde. Der zweite Schaltschritt regt eine weitere Vibration an, die negativ gerichtet ist, was die kombinierten ersten und mittleren Vibrationen im wesentlichen aufhebt. Ein ähnlicher Vorgang ereignet sich bei dem zweiten Schaltvorgang, und es ist erkennbar, daß die Beschleunigung (Linie 12) in Figur 5b deutlich reduziert ist. Es wurde gefunden, daß der mittlere Schaltschritt am besten bei einer Zeit 0,3T nach dem ersten Schaltschritt ausgeführt wird, während der zweite Schaltschritt am besten bei der Zeit 0,7T nach dem ersten Schaltschritt vollzogen wird, um die Geräuschreduzierung zu maximieren. Diese Zeitaufteilung kann jedoch bei verschiedenen Motoren verschieden sein.
Der erste Schaltvorgang kann modifiziert werden, so daß der erste Schaltschritt in der Öffnung eines Schalters besteht, um den Strom in einem Schaltkreis negativer Spannung im Freilauffließen zu lassen. Der mittlere Schaltschritt besteht im Schließen dieses Schalters, um den Schaltkreis positiver Spannung wiederherzustellen, und der zweite Schaltschritt besteht darin, einen Schalter zu öffnen, um den Schaltkreis der Spannung Null wiederherzustellen. In ähnlicher Weise kann der zweite Schaltvorgang dahin modifiziert werden, daß der mittlere Schaltschritt in dem Schließen beider Schalter besteht, um einen Schaltkreis positiver Spannung zu liefern und daß der zweite Schaltschritt darin besteht, beide Schalter zu öffnen, um den Schaltkreis negativer Spannung wiederherzustellen.
Ein zweites modifiziertes Verfahren kann als Vielschrittverfahren bezeichnet werden und umfaßt Paare weiterer mittlerer Schaltschritte zwischen dem mittleren Schaltschritt und dem zweiten Schaltschritt des Dreischritt-Verfahrens. In dem Beispiel des ersten Schaltvorgangs der Fgur 5 umfaßt das Paar weiterer mittlerer Schritte die Öffnung eines oder beider Schalter, um einen Schaltkreis der Spannung Null oder einen Schaltkreis negativer Spannung zu etablieren, und das Schließen dieses Schalters oder beider Schalter um den Schaltkreis positiver Spannung wiederherzustellen. Es kann jegliche Anzahl von Paaren weiterer mittlerer Schaltschritte zusätzlich vorgesehen werden, in einer dem Zerhacken ähnlichen Art, jedoch durchgeführt in einem Tastverhältnis (Verhältnis der Zeit bei höherer Spannung zu der gesamten Zeitdauer zwischen Paaren von mittleren Schaltschritten) derart, daß die mittlere Spannung geringer ist als vor dem Punkt 17. Es kann also die Technik der Impulsbreitenmodulation auf das Vielschritt-Verfahren angewendet werden, so daß die Zeitfolge zwischen den mittleren Schaltschritten so gewählt ist, daß ein geforderter Strom erhalten wird. Mit dieser Technik gibt es eine wirksame stufenweise Änderung in der mittleren Spannung am Anfang und am Ende des Schaltvorgangs, so daß die am Beginn verursachte Vibration am Ende im wesentlichen aufgehoben werden kann, indem sichergestellt wird, daß eine Zeit T zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltschritt liegt. Die Einrichtung 8 wird für die Ausführung des Vielschritt-Verfahrens wieder modifiziert.
Das Vielschritt-Verfahren kann nützlich sein, wenn der ausgedehnte Schaltkreis der Spannung Null der Figur 5 nicht geeignet ist, beispielsweise wenn er bei höheren Drehzahlen des Motors das Drehmoment zu sehr reduziert. Die Figuren 6a bis 6c sind Diagramme des Vielschritt-Verfahrens und zeigen den Strom 1, die tatsächlich einer Wicklung aufgeprägte Spannung V und die mittlere Spannung V', aufgetragen über der Zeit t.
In Figur 6a schließt die Steuereinrichtung 1 beide Schalter am Punkt 16, um den Strom ansteigen zu lassen. Am Punkt 17 beginnt der durch die Einrichtung 8 gesteuerte Schaltvorgang, um den ersten Schaltschritt zur Anlegung der Spannung Null an die Wicklung auszuführen und dann die ersten und weiteren mittleren Schaltschritte, die abwechselnd den Schaltkreis positiver Spannung und den Schaltkreis der Spannung Null wiederherstellen. Dann erfolgt der zweite Schaltschritt nach einer Zeit T nach dem ersten Schritt, um negative Spannung anzulegen. Die mittleren Schaltschritte erzeugen eine reduzierte mittlere Spannung und einen konstanten Strom, d.h. übliches Zerhacken während der Zeitdauer T.
Die Figur 6b zeigt eine ähnliche Betriebsweise, jedoch mit einem niedrigeren Tastverhältnis, um eine niedrigere mitt lere Spannung und einen Stromabfall hervorzurufen. Figur 6c ist der Figur 6b ähnlich, zeigt jedoch eine Zeitdauer üblichen Zerhackens 20 vor dem Beginn des Schaltvorgangs.
Es ist zu vermerken, daß das durch die mittleren Schaltschritte durchgeführte Zerhacken die Spannung zwischen einem positiven und negativen Wert alternieren lassen kann, anstatt zwischen einem positiven Wert und Null. Es ist ebenso zu erkennen, daß das durch die mittleren Schaltschritte ausgeführte Zerhacken über eine ganze Kommutationsperiode fortgesetzt werden könnte, obwohl dies zu einem Verlust an Drehmoment führen würde.
Der Leistungsumformer der Figur 2 arbeitet in einem Leerlaufzustand, doch nicht alle Leistungsumformer können dies. Figur 7 zeigt eine modifizierte Steuerschaltung mit einem Umformer 27 mit geteilter Gleichspannung, der nur einen Schalter SW1 pro Phasenwicklung und Diode D1 aufweist und entweder in einem Schaltkreis positiver Spannung oder in einem Schaltkreis negativer Spannung arbeitet. Bei einem Motor und einer Steuerung dieses Typs liegt eine gerade Zahl von Phasen vor, von denen abwechselnd die Position des Schalters und der Diode umgekehrt ist. Die Steuerschaltung betätigt den Schalter durch eine Treiberschaltung mit einem einzigen Tor, und hat die gleichen Eingangssignale 2,3,4 wie in Figur 2. Die Einrichtung 8 ist modifiziert, so daß sie den Schaltvorgang als Dreistufenvorgang bei der Kommutation der Wicklung steuert. Wie in Figur 7 dargestellt, öffnet die Einrichtung 8 den Schalter für eine vorbestimmte Zeit, schließt ihn für eine weitere vorbestimmte Zeit und öffnet ihn wieder. Auf diese Weise besteht bei einem Schaltvorgang, bei dem von einem Zustand hohen Stroms auf einen Zustand des Stroms Null umgeschaltet wird (entweder beim Zerhacken oder in der Einzelimpuls-Betriebsart), unter der Annahme, daß der Umformer anfänglich in der Betriebsart des Schaltkreises positiver Spannung sich befindet, der erste Schaltschritt in der Öffnung des Schalters, um in die Betriebsart des Schaltkreises negativer Spannung überzugehen. Ein mittlerer Schaltschritt führt dann den Umformer in seine Betriebsart positiver Spannung zurück. Danach folgt, bevor eine Zeit T nach dem ersten Schaltschritt abgelaufen ist, ein zweiter Schaltschritt, in welchem die Betriebsart des Schaltkreises negativer Spannung wieder aufgenommen wird, und es fällt der Strom auf Null ab. Wie bei dem weiter oben beschriebenen Dreischritt-Verfahren ist das Timing des mittleren Schaltschrittes nicht so kritisch als das Timing des anderen Paars der ersten und zweiten Schaltschritte, wenn es sich um die Ansteuerung von Motoren handelt, bei denen die Beaufschlagung einer Wicklung weniger Vibration erzeugt als das Abschalten einer Wicklung. Der mittlere Schaltschritt sollte jedoch zeitlich vor Ablauf der Zeit von 1/2T nach dem ersten Schaltschritt erfolgen und vorzugsweise bei ungefähr 0,3T, während der zweite Schaltschritt ungefähr bei 0,7T nach dem ersten Schaltschritt vollzogen werden sollte.
Das Vielschritt-Verfahren der Figur 6 kann auf die Schaltung nach Figur 7 angewendet werden, eine entsprechende Modifikation der Einrichtung 8 vorausgesetzt.
Bei diesen Ausführungsbeispielen hängt die Zeit T nur von der dominanten Vibrationsfrequenz ab, und diese ist für viele Motoren über den ganzen Betriebsbereich des Motors im wesentlichen konstant. Der Wert von T kann experimentell durch direkte Analyse des von dem Motor ausgesandten akustischen Geräuschs gemessen werden. Alternativ kann die Eigenfrequenz des Stators des Motors errechnet werden, beispielsweise über eine Finite-Elemente-Analyse, wobei der Wert von T in beiden Fällen als ungefähr die Hälfte der Schwingungsdauer bei der Eigenfrequenz genommen wird.
Die Steuerschaltung zur Ausführung des Ansteuerungsverfahrens kann vielerlei Formen haben. Wie es in der Fachwelt wohl bekannt ist, kann die Leistungsumformer-Schaltung der Figur 2 auch durch Einsatz von MOSFET oder anderen Transistoren, Thyristoren oder anderen elektronischen Schalteinrichtungen für die Schalter verwirklicht werden. Die Steuereinrichtung 1 kann durch getrennte logische oder analoge Schaltkreise verwirklicht sein. Ein Fachmann auf diesem Gebiet ist mit Steuereinrichtungen und Leistungsumformern dieser Art vertraut.
Es sei darauf hingewiesen, daß die vorerwähnte Leistungsumformer-Schaltung zwar auf viele Typen von geschalteten Reluktanzmotoren anwendbar ist, jedoch nicht die optimale Ansteuerung bezüglich ihrer Verwendung der Komponenten darstellen kann. Wie jedoch für einen Fachmann auf dem Gebiet ersichtlich ist, können viele andere vorteilhafte Leistungsumformer-Schaltungen ohne weiteres zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung eingesetzt werden, wie sie in der GB-A-2 208 456 und LEE Proceedings Vol 137, Pt B, No. 6, PP 373-384 offenbart sind. Derartige Leistungsumformer-Schaltungen sollten nach ihren Leistungsdaten für eine spezielle Anwendung ausgesucht werden.
Die Erfindung ist zwar unter Bezugnahme auf geschaltete Reluktanzmotoren beschrieben worden, doch kann sie in anderen Motortypen eingesetzt werden, wie zum Beispiel bürstenlosen Permanentmagnetmotoren, bei denen gefunden wurde, daß das von dem Motor erzeugte Geräusch eine Komponente aufweist, die durch eine stufenweise Spannungsänderung ausgelöst wird.

Claims

1. Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors, welches einen Schaltvorgang umfaßt, bei welchem der Strom in einer Wicklung von einem ersten Zustand in einen zweiten davon verschiedenen Zustand umgeschaltet wird, wobei die Schaltoperation zumindest einen ersten und einen zweiten Schaltschritt umfaßt, um den Strom von dem ersten Zustand in den zweiten Zustand umzuschalten, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitabstand zwischen dem ersten und dem zweiten Schritt zwischen einem Viertel und drei Vierteln der Schwingungsdauer einer dominanten Vibrationsfrequenz des Motors liegt oder sich auf ein ganzzahliges Vielfaches der Schwingungsdauer plus einem Anteil zwischen einem Viertel und drei Vierteln der besagten Schwingungsdauer beläuft.

2. Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors nach Anspruch 1, wobei der Zeitabstand ungefähr der Hälfte der besagten Schwingungsdauer oder einem ganzzahligen Vielfachen plus einer Hälfte der besagten Schwingungsdauer gleich ist.

3. Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die dominante Frequenz die Eigenfrequenz einer Komponente des Motors oder eine Harmonische davon ist.

4. Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors nach Anspruch 3, bei welchem die dominante Frequenz die Eigenfrequenz des Stators des Motors oder eine Harmonische davon ist.

5. Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die ersten und zweiten Schaltschritte die einzigen Schaltschritte des Schaltvorgangs sind.

6. Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein mittlerer Schaltschritt zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltschritt vorgenommen wird.

7. Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem in dem ersten Zustand ein Strom fließt und in dem zweiten Zustand kein Strom fließt.

8. Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem der Schaltvorgang während der Kommutation der Wicklung stattfindet.

9. Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem der Schaltvorgang während des Zerhackens des Stroms stattfindet.

10. Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem in dem ersten Zustand kein Strom fließt und in dem zweiten Zustand ein Strom fließt.

11. Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors nach Anspruch 5, bei welchem in dem ersten Zustand in einem Schaltkreis höherer Spannung ein höherer Strom durch die Wicklung getrieben wird und bei welchem in dem zweiten Zustand in einem Schaltkreis niedrigerer Spannung ein niedrigerer Strom durch die Wicklung getrieben wird.

12. Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors nach Anspruch 11, bei welchem in einem ersten Zustand der Strom in einem Schaltkreis positiver Spannung getrieben wird, wobei das Verfahren umfaßt, daß der erste Schaltschritt so ausgeführt wird, daß der Strom im Freilauf in einem Schaltkreis der Spannung Null laufengelassen wird, und daß der zweite Schaltschritt so ausgeführt wird, daß der Strom in der Wicklung in einem Schaltkreis negativer Spannung laufengelassen wird.

13. Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors nach Anspruch 6, bei welchem in dem ersten Zustand der Strom in einem Schaltkreis höherer Spannung getrieben wird, wobei die Ausführung des ersten Schaltschrittes zur Folge hat, daß der Strom in einem Schaltkreis niedrigerer Spannung getrieben wird, wobei die Ausführung eines mittleren Schaltschrittes den Schaltkreis höherer Spannung wiederherstellt und wobei die Ausführung des zweiten Schaltschrittes zur Folge hat, daß der Strom in einem Schaltkreis niedrigerer Spannung getrieben wird.

14. Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors nach Anspruch 13, bei welchem in dem ersten Zustand der Strom in einem Schaltkreis positiver Spannung getrieben wird, wobei das Verfahren die Ausführung des ersten Schaltschrittes in der Weise umfaßt, daß der Strom in einem Schaltkreis negativer Spannung getrieben wird, die Ausführung des mittleren Schaltschrittes in der Weise, daß der Schaltkreis positiver Spannung wiederhergestellt wird und die Ausführung des zweiten Schaltschrittes in der Weise, daß der Schaltkreis negativer Spannung wiederhergestellt wird.

15. Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors nach Anspruch 13, bei welchem in dem ersten Zustand der Strom in einem Schaltkreis positiver Spannung getrieben wird, wobei das Verfahren die Ausführung des ersten Schaltschritts in der Weise umfaßt, daß der Strom in einem Schaltkreis negativer Spannung getrieben wird, die Ausführung des mittleren Schaltschrittes in der Weise, daß der Schaltkreis positiver Spannung wiederhergestellt wird und die Ausführung des zweiten Schaltschrittes in der Weise, daß der Strom im Freilauf in einem Schaltkreis der Spannung Null getrieben wird.

16. Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors nach Anspruch 13, bei welchem in dem ersten Zustand der Strom in einem Schaltkreis positiver Spannung getrieben wird, wobei das Verfahren die Ausführung des ersten Schaltschrittes in der Weise umfaßt, daß der Strom in einem Schaltkreis der Spannung Null im Freilauf getrieben wird, die Ausführung des mittleren Schaltschrittes in der Weise, daß der Schaltkreis positiver Spannung wiederhergestellt wird, und die Ausführung des zweiten Schaltschrittes in der Weise, daß der Schaltkreis der Spannung Null wiederhergestellt wird.

17. Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors nach Anspruch 13, bei welchem in dem ersten Zustand der Strom in einem Schaltkreis positiver Spannung getrieben wird, wobei das Verfahren die Ausführung des ersten Schaltschrittes in der Weise umfaßt, daß der Strom in einem Schaltkreis der Spannung Null im Freilauf getrieben wird, die Ausführung des mittleren Schaltschrittes in der Weise, daß der Schaltkreis positiver Spannung wiederhergestellt wird und die Ausführung des zweiten Schaltschrittes in der Weise, daß der Strom in einem Schaltkreis negativer Spannung getrieben wird.

18. Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors nach Anspruch 13, bei welchem in dem ersten Zustand der Strom in einem Schaltkreis der Spannung Null im Freilauf getrieben wird, wobei das Verfahren die Ausführung des ersten Schaltschrittes in der Weise umfaßt, daß der Strom in einem Schaltkreis negativer Spannung getrieben wird, die Ausführung des mittleren Schaltschrittes in der Weise, daß der Schaltkreis der Spannung Null wiederhergestellt wird und die Ausführung des zweiten Schaltschrittes in der Weise, daß der Schaltkreis negativer Spannung wiederhergestellt wird.

19. Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors nach Anspruch 13, bei welchem in dem ersten Zustand der Strom in einem Schaltkreis der Spannung Null im Freilauf getrieben wird, wobei das Verfahren die Ausführung des ersten Schaltschrittes in der Weise umfaßt, daß der Strom in einem Schaltkreis negativer Spannung getrieben wird, die Ausführung des mittleren Schaltschrittes in der Weise, daß der Strom in einem Schaltkreis positiver Spannung getrieben wird, und die Ausführung des zweiten Schaltschrittes in der Weise, daß der Schaltkreis negativer Spannung wiederhergestellt wird.

20. Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors nach Anspruch 5 oder einem der Ansprüche 12 bis 19, bei welchem ein oder mehrere Paare weiterer mittlerer Schaltschritte zwischen einem ersten mittleren Schaltschritt und dem zweiten Schaltschritt vorgenommen werden.

21. Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors nach Anspruch 14, bei welchem das Verfahren ein oder mehrere Paare von weiteren mittleren Schaltschritten umfaßt, von welchen jeweils der erste des Paars den Schaltkreis negativer Spannung wiederherstellt und der zweite des Paars den Schaltkreis positiver Spannung wiederherstellt, bevor der zweite Schaltschritt ausgeführt wird.

22. Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors nach einem der Ansprüche 13 bis 17, bei welchem in dem ersten Zustand der Strom in einem Schaltkreis positiver Spannung getrieben wird, wobei das Verfahren die Ausführung des ersten Schaltschrittes in der Weise umfaßt, daß der Strom in einem Schaltkreis der Spannung Null oder einer negativen Spannung getrieben wird, die Ausführung des mittleren Schaltschrittes in der Weise, daß der Schaltkreis positiver Spannung wiederhergestellt wird, die Ausführung eines oder mehrerer Paare von weiteren mittleren Schaltschritten, von denen jeweils der erste des Paars den Strom in einem Schaltkreis negativer Spannung treibt und der zweite des Paars den Schaltkreis positiver Spannung wiederherstellt und die Ausführung des zweiten Schaltschrittes in der Weise, daß der Strom in einem Schaltkreis negativer Spannung oder der Spannung Null getrieben wird.

23. Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors nach einem der Ansprüche 13, 18 oder 19, bei welchem in dem ersten Zustand der Strom in einem Schaltkreis der Spannung Null im Freilauf getrieben wird, wobei das Verfahren die Ausführung des ersten Schaltschrittes in der Weise umfaßt, daß der Strom in einem Schaltkreis negativer Spannung getrieben wird, die Ausführung des mittleren Schaltschrittes in der Weise, daß der Strom in einem Schaltkreis der Spannung Null oder einer positiven Spannung getrieben wird, die Ausführung eines oder mehrerer Paare weiterer mittlerer Schaltschritte, von denen der jeweils erste des Paares den Strom in einem Schaltkreis negativer Spannung oder der Spannung Null treibt und der zweite des Paars den Schaltkreis der Spannung Null oder einer positiven Spannung wiederherstellt, und die Ausführung des zweiten Schaltschrittes in der Weise, daß der Strom in einem Schaltkreis negativer Spannung getrieben wird.

24. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Ansteuerung eines geschalteten Reluktanzmotors.

25. Vorrichtung zur Ansteuerung eines Elektromotors mit mindestens einer Spulenwicklung (C) mit folgenden Merkmalen

eine Leistungsquelle,

einen Schaltkreis (7) zur Leistungsumformung mit Schaltern (SW1, SW2) zum Anlegen einer Spannung an die Wicklungen und zum Treiben eines Stroms in den Wicklungen

und eine Steuereinrichtung (1) zur Steuerung des Betriebs des Schaltkreises zur Leistungsumformung, wobei die Steuereinrichtung (1) eine Einrichtung (8) zur Betätigung der Schalter (SW1, SW2) zum Schalten des Stroms in einer Wicklung (C) aus einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand umfaßt,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Schalter zur Ausführung wenigstens eines ersten oder eines zweiten Schaltschrittes eingerichtet sind, wobei der Zeitabstand zwischen den Schritten zwischen einem Viertel und drei Vierteln der Schwingungsdauer einer dominanten Vibrationsfrequenz des Motors gelegen ist oder sich auf ein ganzes Vielfaches plus einem Teil zwischen einem Viertel und drei Vierteln der besagten Schwingungsdauer beläuft.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, bei welcher der Schaltkreis (7) zur Leistungsumformung zum Betrieb in einem Freilaufzustand eingerichtet ist.

27. Verfahren nach Anspruch 25, in welchem der Schaltkreis (7) zur Leistungsumformung nicht zum Betrieb in einem Freilaufzustand eingerichtet ist.

28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 27, in welcher die Steuereinrichtung (1) ein Mikroprozessor ist.