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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Motoren allgemein und insbesondere
bürstenlose
Gleichstrommotoren mit vorgezogener Phasensynchronisierung.
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Einführung
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Bürstenlose
Gleichstrommotoren sind bekannt dafür, daß sie das größte Drehmoment
und die höchste
Leistungsfähigkeit
bei gegebener Größe und Gewicht
haben. Einer der Gründe
für diese
Eigenschaft geht auf das hohe Feld zurück, das ohne Verlust durch
die Dauermagnete aus seltenen Erden erzeugt wird, womit ein relativ
gleichmäßiges Drehmoment
bei einer gegebenen Stromeingabe in die Motorwicklungen geschaffen
wird. Während
diese Eigenschaft bei vielen industriellen Anwendungen sehr nützlich ist,
gibt es einige Anwendungen, für
die es vorteilhaft wäre,
wenn die Drehmoment-/Strom-Eigenschaft
modifiziert werden könnte.
Dies trifft insbesondere auf Antriebssysteme für Landfahrzeuge zu.
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Da
viele Elektrofahrzeuge begrenzte Energiequellen haben, gibt es einen
schon seit langem empfundenen Bedarf, einen Motor zu haben, der auch
eine konstante Leistungseigenschaft zur Maximierung seiner Nützlichkeit
mit einer bestimmten Batterie sowie auch der Minimierung seiner
Elektronik aufweist, die zum Antrieb notwendig ist. Die vorliegende
Erfindung stellt ein Mittel bereit, diese gewünschte Eigenschaft mit einer
minimalen Kostenbelastung für
das ursprüngliche
bürstenlose
Gleichstrom-Antriebssystem zu erzeugen.
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Die
Besorgnis in letzter Zeit über
die Sauberkeit der Luft in den USA, in Europa und Japan hat eine
rege Betriebsamkeit in den Bereichen der wirksamen elektrischen
Antriebssysteme für
Fahrzeuge ausgelöst.
Während
ein Großteil
dieser Betriebsamkeit sich auf die Batterietechnik konzentriert,
werden erhebliche Summen bei der Verbesserung anderer Bereiche von
Fahrzeugsystemen eingesetzt, um die höchste Leistung von den zur
Zeit beschränkten
Batterietechniken zu erhalten.
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Ein
Bereich, von dem ein wichtiger Beitrag zum Wirkungsgrad des Fahrzeugs
erwartet wird, ist das Antriebssystem. Das Antriebssystem, wie es
sich für
ein Elektrofahrzeug vorgestellt wird, kann beinhalten einen oder
mehrere Elektromotoren, ein mechanisches Getriebe zum Antreiben
der Räder,
und ein elektronisches Steuer- und Stromgerät zur Lieferung von Energie
an den/die Motor(en). Es gibt viele verschiedene Motortechniken,
die für
diesen Zweck verwendet werden können,
sowie eine Auswahl an elektronischen Geräten und Steuervorrichtungen
zum Erreichen der gewünschten
Ergebnisse.
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Die
Wahl einer bestimmten Technik für
ein Fahrzeug hängt
von mehrere Faktoren ab, einschließlich: Kosten, Wirkungsgrad,
Größe, Gewicht, Gleichmäßigkeit
etc. Derzeit sind die Hauptkandidaten bei den Motoren für Elektrofahrzeuge
die asynchronen (Induktion) und die synchronen (Dauermagnet) Motoren.
Beide dieser Motoren benötigen
ein elektronisches Gerät,
das dreiphasige Wechselstrom-Wellenformen verschiedener Frequenz
und Größe für den Betrieb
des Motors erzeugt.
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Es
wird weithin akzeptiert, daß der
bürstenlose
Dauermagnetmotor fähig
ist, einen höheren
Wirkungsgrad und ein kleineres Gewicht als der Induktionsmotor zu
erreichen, aber die innewohnende Eigenschaft des bürstenlosen
Dauermagnetmotors von konstantem Drehmoment bei konstantem Strom wird als
ein Nachteil für
die Anwendungen in Elektrofahrzeugen angesehen.
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Eine
typische Fahrzeuganforderung ist, einen hohen Wert für das Anfahrdrehmoment
zur schnellen Beschleunigung des Fahrzeugs sowie ausreichende Nachstellbarkeit
für hügeliges
Gelände aufzuweisen.
Bei hoher Geschwindigkeit benötigt das
Fahrzeug weniger Drehmoment (oder Energie ist in beschränktem Umfang
vorhanden), aber dies ist ausreichend zum Fahren bei Reisegeschwindigkeit auf
normalen Straßenflächen. Die
gewünschten
Eigenschaften von Elektrofahrzeugen passen gut zu einem Motor, der
konstante Leistungseigenschaften aufweist.
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DE 38 19 064 offenbart einen
bürstenlosen Gleichstrommotor,
bei dem ein Drehmoment-Steuerungssystem darauf eingestellt ist,
das Motordrehmoment zu steuern, indem eine vorgezogene Phasensynchronisierung
eingesetzt wird. WO 94 07 301 offenbart einen synchronen Motor,
dessen Strom in einem Grundgeschwindigkeitsbereich gesteuert wird, abhängig von
einem eingestellten Motorstromwert, einem erfaßten Strom und erfaßten Signalen.
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Das
US-Patent US-A-4 546 293 offenbart einen bürstenlosen Motor und ein Antriebssystem
gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1. Besonders das von diesem vorhergehenden Patent bekannte Generatormittel
beinhaltet eine Phasenvorrück-Schaltung, um die
Phasen der Steuersignale, die gemäß des Positionssignals erzeugt
wurden, das vom Rotor-zu-Stator-Positionsdetektor
empfangen wurde, um einen vorbestimmten Wert als Funktion der Motorgeschwindigkeit über der
vorbestimmten Geschwindigkeit vorzurücken, um dadurch die fundamentale
Stromwellenform zu veranlassen, in ihrer Phase vorgerückt zu werden
und der Gegen-EMK-Wellenform des Motors vorzueilen. Die Phasenvorrückung wird
benötigt,
um Strom in den Stator zu pumpen, und zwar vor der statischen Rotorposition,
um so bei höheren
Geschwindigkeiten die hohen Gegen-EMKs zu überwinden.
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Viele
Schriften sind über
das Thema Motorsteuerung geschrieben worden, mit der konstante Leistungseigenschaften
erreicht werden sollten. Die meisten dieser Schriften gehen von
der Annahme aus, daß der
angelegte Antriebsstrom oder die -spannung von Natur aus sinusförmig ist
und daß die
vorherrschende Auswirkung der Spannungs- und Stromsteuerung das
Positionieren des Stroms in einer relativen Phasenanordnung mit
dem Flußvektor des
Rotors ist, und zwar so, daß der
Stromfluß eine Netto-Flußverringerung
im Motor verursacht, was einen Betrieb bei konstanter Leistung ermöglicht.
Obwohl sich gezeigt hat, daß dieses
Verfahren gute Ergebnisse erbracht hat und es analytisch gut verstanden
wird, stellt die vorliegende Erfindung ein alternatives Verfahren
bereit, das in seiner Verwirklichung viel einfacher ist und im Vergleich
zum oben beschriebenen Verfahren verringerte Kosten anbieten kann.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Demgemäß ist es
eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die obenerwähnten Mängel zu
beheben. Es ist insbesondere eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
bei Betrieb mit hoher Geschwindigkeit einen konstanten Energieverbrauch
beizubehalten.
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Es
ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, insgesamt eine
Verringerung bei den Oberwellenverlusten des Motors bereitzustellen.
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Es
ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System bereitzustellen,
in dem keine PDM-Verluste bei Betrieb im oberen Geschwindigkeitsbereich
auftreten.
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Es
ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System mit
Systemeigenschaften bereitzustellen, die den Fahrzeug- und Batterieeigenschaften
sehr ähnlich
sind, mit dem es verbunden ist.
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Gemäß der obigen
Ausführungen
stellt die vorliegende Erfindung ein bürstenloses Motor- und Antriebssystem
nach Anspruch 1 bereit.
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Vorteilhafte
Merkmale des Systems nach Anspruch 1 sind in den Unteransprüchen 2 und
3 definiert.
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Andere
Merkmale, Vorteile und Aufgaben der Erfindung werden beim Lesen
der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform offensichtlich.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 illustriert eine schematische
Ansicht eines bürstenlosen
Motors und Antriebssystems der vorliegenden Erfindung;
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2 illustriert einen Schaltplan
des Schaltverstärkers
der vorliegenden Erfindung;
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3 illustriert die Feldverteilung
in dem bürstenlosen
Gleichstrommotor der vorliegenden Erfindung, die sich aus den Dauermagneten
des Rotors ergibt;
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4 ist ein Phasendiagramm,
das die elektromagnetische Rückkraft
illustriert, die im Stator des Motors erzeugt wird;
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5 illustriert ein Schaltzeitdiagramm
bezogen auf den Betrieb des Schaltverstärkers;
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6 ist eine graphische Darstellung,
welche die Motorausgabeleistung gegenüber der Phasenvorrückung des
bürstenlosen
Motors bei verschiedenen Geschwindigkeiten illustriert;
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7 ist eine graphische Darstellung,
welche die Kupferverluste des Motors gegenüber der Phasenvorrückung des
Motors bei verschiedenen Geschwindigkeiten illustriert;
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8 illustriert die Stromfortleitung
des Schaltelements des Schaltverstärkers während der Phasenvorrückung;
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9 ist eine graphische Darstellung,
die den Betrieb des Phasenvorrückungssystems
illustriert;
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10 illustriert die Bemessungspunkte
der herkömmlichen
Antriebsanordnung;
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11 illustriert die Bemessungspunkte
des Phasenvorrück-Antriebs der vorliegenden
Erfindung;
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
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Mit
Bezug auf 1 umfaßt das bürstenlose Motorsystem
der vorliegenden Erfindung einen drehstromgewickelten Dauermagnetmotor 10,
einen impulsdauermodulierten, sechsstufigen Drehstromantrieb 20 und
einen Rotorpositionsfühler 30 niedriger Auflösung (beispielsweise
eine Gruppierung von 3 digitalen, magnetischen Hall-Gebern), der
ein Positionssignal an den Antrieb 20 ausgibt. Der Antrieb 20 erhält das Kommutierungssignal
von dem Positionssignal. Der Antrieb 20 beinhaltet eine
Logik oder einen Prozessor 22, der einen Impulsdauermodulator (PDM)
enthält,
einen Kommutierungsregler und eine Schaltung oder eine Softwareroutine,
die intern im Logikprozessor 22 vorhanden ist, die in der
Lage ist, die Positionssignale-Rückkoppelung
(Kommutierungs signal) vom Rotorpositionsfühler 30 niedriger Auflösung zeitlich
zu verschieben. Die Logik oder der Prozessor 22 kann eine
fest verdrahtete Schaltung zum Erzeugen eines Steuersignals umfassen,
oder sie kann ein geeignet programmiertes Mikrocomputer-Gerät beinhalten.
Der Antrieb 20 beinhaltet auch einen Schaltverstärker 24,
der von der Logik oder dem Prozessor 22 gesteuert wird
und die verschiedenen Wicklungen des Motors 10 selektiv
mit Strom versorgt. Diese Anordnung wird primär von einer Gleichstromquelle
betrieben, die auf verschiedenen Mitteln beruhen kann, die beinhalten
können,
ohne darauf beschränkt
zu sein, eine Batterie, gleichgerichtete Wechselstrom-Netzspannung, gleichgerichtete
Wechselstromspannung von einem Wechselstrom-Generator, von einem
Gleichstrom-Generator bezogene Spannung, von einer fotovoltaischen
Solargruppierung bezogene Spannung oder von irgendeiner anderen
elektrischen Energiequelle.
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Der
Rotorpositionsfühler 30 wird
betrieben, um das magnetische Feld zu erfassen, das von den Magneten
des Motors erzeugt wird. Alternativ kann ein separates magnetisches
Gerät mit
dem Rotor in Verbindung gebracht werden, und das Sensorgerät 30 kann
dieses separate magnetische Gerät
abtasten, was ähnliche
magnetische Positionsinformationen erzeugen würde wie die Hauptmagneten des Motorrotors.
Alternativ kann der Rotorpositionsfühler vom Typ des digitalen,
optischen Fühlers
sein, der eine Lichtquelle gemäß einem
optischen Unterbrecher erfaßt,
der am Rotor angebracht ist.
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Bei
genauerer Betrachtung beinhaltet der bürstenlose Motor 10 einen
Ständer 12 und
einen Rotor 16. Der Ständer
beinhaltet Drehstromwicklungen (wobei jede Phase jeweils mit A,
B und C bezeichnet ist). Der Rotor beinhaltet Dauermagnete 18, die
um seine Achse angeordnet sind, um einen magnetischen Fluß zu erzeugen.
Vorzugsweise sind die Magnete auf der Oberfläche des Rotors angeordnet, und
sie können
Mag nete vom Typ Neodym-Eisen-Bor sein. Sollte das System bei Anwendungen mit
hoher Temperatur eingesetzt werden, können die Magnete vorzugsweise
aus Samarium-Kobalt gebildet sein. Der Rotor kann einen sich drehenden
Rückflußweg aus
Vollstahl beinhalten, um eine Herstellung mit niedrigen Kosten bereitzustellen.
Alternativ kann der Rotor einen sich drehenden Rückflußweg aus ferromagnetischem
Blechmaterial für
niedrigeren Rotorverlust beinhalten. Oder der Rotor kann einen sich
drehenden Rückflußweg aus
amorphem magnetischen Material für
niedrigeren Rotorverlust umfassen.
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3 illustriert die Feldverteilung
innerhalb des Motors 10, die sich aus dem Feld ergibt,
das durch die Dauermagnete nur des Rotors erzeugt wird. Das Antriebssystem
der vorliegenden Erfindung kann bei einem Elektrofahrzeug verwendet
werden, das beispielsweise ein einziges, nicht-verstellbares Getriebe zum Verringern
der Motorgeschwindigkeit auf eine gewünschte Radgeschwindigkeit aufweist.
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Mit
Bezug auf 3 beinhaltet
der Ständer 12 eine
Vielzahl von Zähnen 14.
Der Rotor 16 ist vom Ständer 12 durch
einen Luftspalt G getrennt. Der Rotor 16 weist einen auf
seiner Oberfläche
angeordneten Dauermagneten 18 auf. Es ist bei Fachleuten wohlbekannt,
daß beim
Drehen des Rotors innerhalb des Ständers elektromagnetische Rückkraft (Rück-EMF) in den jeweiligen
Wicklungen des Ständers 12 erzeugt
wird. 4 illustriert
die verschiedenen elektromagnetischen Rückkräfte, die in jeder der Wicklungen
A, B und C mit Bezug auf den Nulleiter erzeugt werden. Es ergibt
sich klar aus 4, daß eine elektromagnetische
Rückkraft
dazu neigt, einen weitgehend sinusförmigen Verlauf zu haben.
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2 illustriert die Schaltanordnung
des Schaltverstärkers 24.
Mit Bezug auf 2 empfängt jeder
der Anschlüsse
A, B, und C (und A',
B' und C') Schaltsteuersignale
von der Logik oder dem Prozessor 22. Der Schaltverstärker 24 beinhaltet
eine Vielzahl von Schaltelementen 25a, 25b und 25c; sowie auch
Schaltelemente 26a, 26b und 26c. Vin stellt die Spannungseingabe an den Schaltverstärker 24 dar. Vorzugsweise
können
die Schaltelemente 25a, 25b und 25c IGBT-Geräte sein
und die unteren Schalter 26a, 26b und 26c können MOSFET-Geräte sein.
Alternativ können
alle Schalter MOSFETs (für
Niederspannungsbetrieb) oder IGBTs oder jegliche andere, geeignete
Schaltgeräte
sein. Es ist vorzuziehen, die unteren Schalter 26a, 26b und 26c aus
MOSFET-Geräten zu bilden,
um so niedrigere PDM-Schaltverluste bei höheren Schaltfrequenzen bereitzustellen.
Der Schaltverstärker
ist an die jeweiligen Wicklungen des Motors 10 angeschlossen,
und zwar über
die Anschlüsse 28a, 28b und 28c.
Der Schaltverstärker 24 beinhaltet
die Fühler 27a und 27b,
die vom Typ der Hall-Geber sein können.
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Der
Verstärker 24 kann
dreiphasige, rechteckige Wechselstrom-Wellenformen erzeugen, d.
h. keine sinusförmigen
Wellenformen, und zwar zu dem Zweck einer einfacheren Steuerung
und niedrigerer Schaltverluste.
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5 illustriert ein Beispiel
einer Schaltanordnung für
einen Schaltverstärker.
Das heißt,
wenn die Logik oder der Prozessor 22 den Anschluß A mit der
Eingabe-Wellenform A versorgt, und Anschluß A' mit der Eingabe-Wellenform A', ist die sich ergebende
Strom-Wellenform, mit die A-Wicklung versorgt wird, als Phase-A-Strom
illustriert. Es ist klar, daß der Phase-A-Strom
einen weitgehend sinusförmigen Verlauf
aufweist und mit Absicht so ausgelegt ist, daß er parallel zur Wellenform
der elektromagnetischen Rückkraft
verläuft,
die in den Wicklungen des Ständers
erzeugt wird. Die Schaltdiagramme für die Phase-B- und Phase-C-Anordnungen
würden
denen der 5 ähnlich sein,
abgesehen davon, daß sie
demgegenüber
eine Phasenverschiebung aufweisen würden.
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Der
Grundgedanke im Aufbau des Antriebs liegt darin, die Systemverluste
bei allen Betriebsarten zu minimieren. Bei Betrieb mit niedriger
Geschwindigkeit, der als der Zustand definiert ist, wenn die elektromagnetische
Rückkraft
des Dauermagnetmotors 10 kleiner ist als die durchschnittliche
Gleichstrom-Eingabespannung von der Energiequelle, funktioniert
der Antrieb so, daß ein
einziger der oberen Schalter (25a, 25b und 25c)
der Drehstrombrücke
während
eines Drittels des elektrischen Takts angeschaltet ist (d. h. 120
Grad der elektrischen Wechselstrom-Charakteristik) und einer der
drei unteren Schalter (26a, 26b und 26c)
in Teilbereichen dieser Zeit in einem PDM-Modus betrieben wird.
Die Nettowirkung dieses Ablaufs ist, daß der Strom in eine der Motorleitungen
A, B, C hineingetrieben wird (siehe 1)
und durch eine der anderen Motorleitungen zum Verstärker zurückgeführt wird.
Das Muster verändert
sich mit der relativen Position des Ständers und des Rotors, wobei über die
360 Grad des elektrischen Zyklus des Motors sechs separate Muster
gebildet werden, daher der Name Sechs-Stufen-Antrieb. Während dieser Zeit treten aufgrund
der PDM-Wirkung nur bei einem Schalter Schaltverluste auf, und somit
bleibt die an den Motor angelegte Spannung im wesentlichen in-Phase
mit der Ausrichtung des Positionsfühlers.
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Wenn
die Motorgeschwindigkeit sich einem Niveau nähert, bei dem die erzeugte
elektromagnetische Rückkraft
genauso groß ist
wie die angelegte Gleichstromspannung, verringert sich die Fähigkeit des
Verstärkers,
den Motor mit Strom zu versorgen, was den Effekt einer Drehmomentverringerung
bei dieser Geschwindigkeit hat, was schließlich zu einer Geschwindigkeitsbegrenzung
führt.
In diesem Zustand hat der PDM-Betrieb ein 100%iges Lastspiel erreicht,
was aufgrund dieses Effekts im wesentlichen alle die sich daraus
ergebenden Verluste im Verstärker
und Motor beseitigt, und die Phasenvorrück-Schaltung oder der -Algorithmus
wird aufgerufen, um den gewünschten
oberen oder unteren Schalter „vorzeitig" gemäß den Anforderungen
des Sechs-Stufen-Antriebs
anzuschalten. Der Effekt dieses vorzeitigen Schaltens führt zu dem
Anlegen der angelegten Gleichstrom spannung an die Motorwicklung,
wenn der Wert der Wechselstromspannung der entsprechenden Motorwicklung
geringer als diese Spannung ist. Das führt zu einem „Vorladen" der Wicklung mit
Strom, wenn die Position der Rotors so ist, daß von diesem Stromfluß kein bedeutendes Drehmoment
erzeugt wird. Wenn der Rotor in die Position fährt, wo die erzeugte elektromagnetische Rückkraft
die angelegte Gleichstromspannung überschritten hat, ist der Strom
in dieser Wicklung auf ein Niveau angehoben worden, daß ein erhebliches Drehmoment
erzeugt wird, obwohl sich der Strom jetzt verringert, und zwar aufgrund
der negativen, relativen Spannung, die über den Bereich der Motorinduktanz
angelegt ist. Das Ergebnis ist, daß der Geschwindigkeitsbereich
eines relativ standardmäßigen bürstenlosen
Gleichstrommotors erheblich erweitert werden kann, um die gewünschten,
konstanten Leistungseigenschaften ohne erhebliche Kostennachteile zu
erreichen.
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6 illustriert die verschiedenen
gewünschten
Phasenvorrückgrade
im Vergleich zur Motorausgangsleistung bei verschiedenen Geschwindigkeiten
des Rotors. Diesem Schaubild entsprechende Informationen sind in
der Logik oder im Prozessor 22 gespeichert, und sie werden
beim Betrieb des Motors verwendet. Wie aus diesem Schaubild zu ersehen
ist, wird beim Erhöhen
der Rotorgeschwindigkeit die Motorausgangsleistung und die Phasenvorrückgradkurve
im wesentlichen linear.
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Wie
jedoch aus 7 klar ersichtlich
ist, die den Kupferverlust gegenüber
dem Phasenwinkel für verschiedene
Geschwindigkeiten illustriert, findet in den Wicklungen etwas Leistungsverlust
statt. Mit Bezug auf 6 zum
Beispiel muß der
Phasenvorrückwinkel
von 30 Grad verwendet werden, um eine 40 kW Ausgangsleistung bei
4000 U/min zu erreichen. Mit Bezug auf 7 wird jetzt klar, daß sich etwa ein 1,8 kW Verlust
im Motorkupfer ergibt, wenn bei einer Rotorgeschwindigkeit von 4000
U/min ein Phasenvorrückwinkel
von 30 Grad verwendet wird.
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8 illustriert die Wechselbeziehung
zwischen dem Motorstrom und dem Ein-/Ausschalten des Schaltverstärkers für die jeweilige
Wicklung. Mit Bezug auf das Schaubild ist ersichtlich, daß die Diode
D2 während
des ersten Stromabschnitts mit leitend ist und daß der Transistor
Q1 während
des zweiten Stromabschnitts leitend ist. Die untere Hälfte des Schaubilds
läßt sich ähnlich erklären.
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9 illustriert die Arbeitsweise
des Systems mit vorgezogener Phasensynchronisierung. Mit Bezug auf
das Schaubild ist ersichtlich, daß TMAX das maximale
Drehmoment darstellt, NMAX die maximale Rotorgeschwindigkeit
für den
Dauermagnetrotor darstellt, Nback die Rotorgeschwindigkeit
darstellt, bei der die elektromagnetische Rückkraft gleich der Eingabespannung
ist, und K ist eine Konstante, die dem Quotienten aus NMAX geteilt
durch Nback gleich ist. Mit Bezug auf das
Schaubild ist ersichtlich, daß der
Motor im ersten Geschwindigkeitsbereich nur in einem PDM-Modus arbeitet;
im zweiten Bereich arbeitet der Motor mit Impulsdauermodulation
und Phasenvorrückung
und setzt diese Betriebsart fort, bis die Impulsdauermodulation
100% des Lastspiels erreicht. Danach, im dritten Bereich, verringert
sich das Drehmoment in einer hyperbolischen Kurve, aber die Leistung
bleibt über
diesen ganzen Bereich konstant. Demgemäß kann die maximale Geschwindigkeit
bei gleicher Leistung erreicht werden.
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Dies
stellt gegenüber
dem herkömmlichen Antrieb
einen großen
Vorteil bereit, was am besten mit Bezug auf 10 und 11 illustriert
werden kann.
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10 illustriert einen Bemessungspunkt
eines herkömmlichen
Antriebs. In der Figur bezeichnet 100 die Entmagnetisiergrenze des
Motors, stellt 200 die Wärmegrenze
bei intermittierendem Betrieb dar, und stellt 300 die Wärmegrenze
bei stetigem Betrieb dar. Die gestrichelte Linie in 10 illustriert die charakteristische
Kurve für
den herkömmlichen
Antrieb. Wie sich klar aus der Figur ergibt, ist praktisch der doppelte
Strom (2Im) erforderlich, um die Schwelle
für intermittierenden
Betrieb zu erreichen, wenn ein Strom Im benötigt wird,
um den Motor in der Nähe
der Grenze für
stetigen Betrieb zu betreiben.
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Im
Gegensatz dazu, mit Bezug auf 11,
illustriert diese Figur den Bemessungspunkt des Phasenvorrückungs-Antriebs
der vorliegenden Erfindung. Wie sich klar aus der Figur ergibt,
kann die intermittierende Wärmegrenze
erreicht werden, indem der Motor nur mit dem Strom Im versorgt
wird. Weiterhin, selbst wenn die Geschwindigkeit des Motors sich erhöht, bleibt
die Leistung konstant, obwohl das resultierende Drehmoment sich
verringert.
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Durch
den Einsatz der Phasenvorrückungs-Zeitregelung
ist die vorliegende Erfindung vorteilhafter als Feldschwächungssysteme.
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Insbesondere
hat das System mit vorgezogener Phasensynchronisierung der vorliegenden
Erfindung viele Vorzüge
gegenüber
dem Feldschwächungssystem,
wie beispielsweise die folgenden:
- 1. Die vorliegende
Erfindung kann zum Beispiel mit einem kostengünstigen Rotorpositionsfühler niedriger
Auflösung
eingesetzt werden.
- 2. Die vorliegende Erfindung verwendet eine einfache Rotorkonstruktion,
es besteht keine Notwendigkeit für
eine Schenkeligkeit-Anforderung oder hohe Ankerreaktion, was die
Motorerwärmung
durch nicht-fundamentale elektrische Antriebsstrom-Bestandteile
verringert.
- 3. Die vorliegende Erfindung stellt eine einfache Verstärkerkonstruktion
bereit, die Verluste erheblich verringert, da PDM zu einer gegebenen
Zeit nur bei einem der sechs Schalter auftritt und kein PDM während des
Betriebs mit konstanter Leistung auftritt. Wegen der niedrigen Ankerreaktion ist
auch keine Erzeugung einer Sinuswelle erforderlich, was den Mikrocomputer
erheblich vereinfacht und den Einsatz eines Positionsfühlers niedriger
Auflösung
ermöglicht.
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Diese
Technik ist besonders nützlich,
wenn es um Motoren niedriger Induktanz (weniger als 1 mH) geht.
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Zusammengefaßt kann
das Antriebssystem der vorliegenden Erfindung somit umfassen einen Dauermagnet-Gleichstrommotor,
einen elektronischen Schaltverstärker,
der fähig
ist, dreiphasige Wechselstrom-Wellenformen verschiedener Frequenz
und Amplitude zu erzeugen, einen Fühler niedriger Auflösung, der
fähig ist,
die relative Position des Rotors zum Motorständer zu messen, um eine sechsstufige
Kommutierung des Motors zu verwirklichen, und einen Schaltungs- oder Softwarealgorithmus,
der ein zeitliches Nachstellen des Kommutierungssignals vom Motor
zur Elektronik ermöglicht, und
zwar für
den Zweck, die Phasenvorrückung
für den
Betrieb mit konstanter Leistung zu verwirklichen.
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Da
hiermit der Gegenstand der vorliegenden Erfindung beschrieben worden
ist, sollte es ersichtlich sein, daß viele Substitutionen, Modifizierungen und
Abänderungen
der vorliegenden Erfindung angesichts der obigen Lehre möglich sind.