WO1996002971A1

WO1996002971A1 - Drehzahlverstellbarer ec-gleichstrommotor

Info

Publication number: WO1996002971A1
Application number: PCT/DE1995/000768
Authority: WO
Inventors: Josef Wehberg; Wolfgang Krauth
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 1994-07-16
Filing date: 1995-06-16
Publication date: 1996-02-01
Also published as: DE4425193C1

Abstract

Bei einem drehzahlveränderbaren elektronisch kommutierten Gleichstrommotor wird die stufenweise oder kontinuierliche Drehzahlverstellung mittels der elektronischen Veränderung des Stromflußwinkels zwischen 90°el und 180°el vorgenommen. Die Strangwicklung jeder einzelnen Spule des Motors ist mit einer ersten Wicklung (W1) über mindestens zwei Wicklungszähne (64, 65) und einer ersten Windungszahl (N1) sowie mit einer zweiten Wicklung (W2) über einen einzigen Wicklungszahn (65 bzw. 64) und einer zweiten Windungszahl (N2) versehen, wobei der Wicklungssinn (68) dieser beiden Wicklungen gleich ist und die zweite Wicklung (W2) über einen einzigen Wicklungszahn (64 bzw. 65) am Ende (Fig. 4A) oder am Anfang (Fig. 4B) der jeweiligen Strangwicklung angeordnet ist.

Description

Drehzahlverstellbarer EC-Gleichstrommotor

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem elektronisch kommutierten

Gleichstrommotor mit Drehzahlverstellung der im Oberbegriff des

Anspruchs 1 definierten Gattung.

Bei bekannten elektronisch kommutierten Gleichstrommotoren mit Drehzahlverstellung ist der schaltungstechnische Aufwand und der damit verbundene Kostenaufwand erheblich.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße drehzahlverstellbare elektronisch kommu- tierte Gleichstrommotor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil des geringeren Aufwands schaltungstechnischer und kostenmäßiger Art. Darüber hinaus ist eine wesentliche Erhöhung des Wirkungsgrades in Teillastbereichen und insbesondere bei geringeren Drehzahlen erreicht, was zu geringerem Energieverbrauch und/oder gegebenenfalls zur Verwendung eines Motors mit kleinerer Leistung führt. Durch die elektronische Veränderung der Stromflußdauer, die schaltungstechnisch recht einfach zu realisieren ist, und der besonderen Gestaltung der Wicklung durch punktuell gezielte Erhöhung der Induktion mittels der zweiten Wicklung, ergibt sich eine gute Leistungsanpassung an verschiedene Drehzahlen und eine damit verbundene Erhöhung des Wirkungsgrades bei wesentlich besserem Betriebsverhalten, besonders auch bei niedrigeren Drehzahlen. Ein ganz besonderer Vorteil besteht weiterhin darin, daß der Abschaltstrom klein ist, so daß geringere Schaltverluste ur. damit verbundene Störungen entstehen.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind verteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen drehzahlverstellbaren Gleichstrommotors möglich.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind bei einem Motor mit einer ersten Drehrichtung und bei einem ersten Richtungssinn der beiden Wicklungen, beispielsweise rechtsdrehend, vom Wicklungsanfang gesehen zunächst die erste Wicklung mit der ersten Windungszahl im normalen Spulenschritt über mehr als einen Wicklungszahn angeordnet und dann die zweite Wicklung mit der zweiten Windungszahl um den letzten K klungszahn im zugehörigen Spulenschritt angeordnet, und bei einem Motor mit entgegengesetzter Drehrichtung und bei demselben Richtungssinn der beiden Wicklungen, also ebenfalls rechtsdrehend, vom Wicklungsanfang gesehen zunächst die zweite Wicklung mit der zweiten Windungszahl um den ersten Wicklungszahn irr. zugehörigen Spulenschritt angeordnet und dann die erste Wicklung mit der ersten Windungszahl um alle Wicklungzähne im zugehörigen Spulenschritt angeordnet.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht die Drehzahlverstellung des Gleichstrommotors in Stufen mittels schlagartiger, stufenweiser Veränderung des Stromflußwinkels bzw. der Stromflußdauer vor, insbesondere von 90°el auf 180°el bei zwei Drehzahlstufen.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß für die elektronische Veränderung des Stromflußwinkels die in den Strangwicklungen vorgesehenen elektronischen Leistungsschalter, vorzugsweise MOSFET- Transistoren, von einer Verriegelungs- und Steuerschaltung mittels Ansteuersignale entsprechend ein- und ausgeschaltet werden, um den Stromfluß zwischen einer Spannungsquelle und

Massepotential zu ermöglichen. In bevorzugter Ausführung wird die Verriegelungs- und Steuereinheit eingangsseitig mit Rotorlagesignalen und Signalen zur Angabe der stufenweisen und/oder kontinuierlichen Drehzahlverstellung beaufschlagt.

Der erfindungsgemäß gestaltete elektronisch kommutierte Gleichstrommotor wird gemäß seiner besonders zweckmäßigen Ausgestaltung als stufenweise verstellbarer Motor für Kühlgeblase verwendet, wobei der hauptsächliche Einsatz in der niedrigen Drehzahlstufe erfolgt, in der erfindungsgemäß das

Betriebsverhalten hinsichtlich des hohen Wirkungsgrads besonders gut ist. Dies bietet besonders bei dieser Anwendung erhebliche wirtschaftliche Vorteile, neben den Vorteilen des EC-Motors mit seiner hohen Lebensdauer und integrierten Bauform. Die stufenlose Steuerung des Motors im steuerbaren Drehzahlbereich bietet weiterhin die Möglichkeit, die Kühlwassertemperatur wesentlich genauer den optimalen Betriebsbedingungen eines Verbrennungsmotors anzupassen.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung naher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 schematisch ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines gemäß der Erfindung gestalteten elektronisch kommutierten Gleichstrommotors;

Fig. 2 bestehend aus Fig. 2A und Fig. 2B schematisch im

Zeitdiagramm in Wicklungen induzierte Spannungen und daraus erzeugte Rotorlagesignale, sowie daraus abgeleitete Ansteuersignale für zwei Stomflußwinkel von 90°el und 180°el sowie einen dazwischenliegenden Stromflußwinkel;

Fig. 3 schematisch den Verlauf der in der gemäß der Erfindung gestalteten Wicklung induzierten Spannung, sowie den Verlauf der dort fließenden Ströme bei den zwei Stromflußwinkeln von 90°el und 180°el;

Fig. 4 bestehend aus Fig. 4A und Fig. 4B, schematisch den Aufbau der erfindungsgemäßen Wicklungsanordnung des Stators mit seinen angedeuteten Wicklungszähnen am Beispiel einer Spule einer einzigen Strangwicklung, und zwar in Fig. 4A für einen Motor mit einer bestimmten Drehrichtung und in Fig. 4B für einen Motor mit entgegengesetzter Drehrichtung, wobei der Richtungssinn der Wicklungen in beiden Fällen der gleiche ist;

Fig. 5 schematisch das Meßergebnis der in einem Strang des erfindungsgemäß gestalteten Motors induzierten Spannung bei stromlosem Motor;

Fig. 6 schematisch das Meßergebnis von Spannung und Strom eines Stranges eines erfindungsgemäß gestalteten Motors bei einem Stromflußwinkel von 90°el; Fig. 7 schematisch das Meßergebnis von Spannung und Strom eines Stranges eines erfindungsgemäß gestalteten Motors bei einem Stromflußwinkel von 180°el, und

Fig. 8 schematisch ein Diagramm von Motorkennlinien betreffend Wirkungsgrad eta, Leistung P2, Motorstrom I und Drehzahl n in Abhängigkeit vom Lastmoment M.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist schematisch ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines gemäß der Erfindung gestalteten elektronisch kommutierten Gleichstrommotors gezeigt. Der Motor kann als Innen- oder Außenläufer ausgelegt sein. Der passive Rotor 5 trägt die Erregermagnete, die in Fig. 1 mit den beiden Magnetpolen N und S andeutungsweise dargestellt sind. Die Wicklung des Stators kann zweisträngig mit vier Einzelwicklungen 1, 2, 3, 4, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist, ausgeführt sein. Es ist jedoch auch eine Auslegung des Stators mit einer anderen Strangzahl möglich.

Die Ansteuerung des in Fig. 1 schematisch dargestellten Motors ist als Halbwellensteuerung aufgebaut, d.h. jede Wicklung wird nur in einer Richtung vom Strom durchflössen. Möglich ist auch eine Ausführung in Vollwellensteuerung, wobei jeweils lediglich eine Wicklung pro Strang ausreicht. Der Aufwand für die Leistungshalbleiterschalter ist hier jedoch erhöht.

Wie in Fig. 1 dargestellt, ist in jedem Wicklunsstrang 1, 2 , 3, 4, jeweils ein Leistungshalbleiterschalter 21, 22, 23, 24 in

Reihenschaltung vorgesehen. Diese Leistungshalbleiterschalter 21, 22, 23, 24 stellen in Abhängigkeit von den sie steuernden Ansteuersignalen 31, 32, 33, 34 jeweils die Verbindung zwischen einer Spannungsquelle U_B und dem Massepotential Mp her, so daß damit die entsprechenden Ströme durch die Wicklungen fließen. Die im Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 1 dargestellten Leistungs- halbleiterschalter sind MOSFET-Transistoren 21, 22, 23, 24. Es sind jedoch auch andere Halbleiterschalter möglich. Weiterhin sind die in Fig. 1 dargestellten Wicklungen bifilar, wobei der neben jeder Wicklung dargestellte Punkt den jeweiligen Wicklungsanfang kennzeichnet. Die bifilaren Wicklungen 1 und 2 sowie 3 und 4 stellen je einen Strang des Stators dar.

Die bereits erwähnten Ansteuersignale 31, 32, 33, 34 für die schaltenden Halbleiter 21, 22, 23, 24 werden von einer in Fig. 1 dargestellten Verriegelungs- und Steuereinheit 50 erzeugt. Diese Verriegelungs- und Steuereinheit 50 ist zur Spannungsversorgung zur. einen mit der Spannungsquelle U_B und zum anderen mit Massepotential Mp verbunden. Eingangsseitig erhält die Verriegelungs- und Steuereinheit 50 Positionssignale über die Stellung des Rotors 5. Dazu werden in einem Schaltungsblock 51, der im wesentlichen eine Komparatorschaltung ist, aus den in den Wicklungen 1, 2, 3 und 4 induzierten Spannungen 11, 12, 13 und 14 die Positionssignale 41 und 42 erzeugt. Der Schaltungsblock 51 generiert außerdem ein Kommutierungssummensignal 43, welches neben der Information über den genauen Kommutierungszeitpunkt auch den Istwert der Motordrehzahl enthält. Aus dem Kcr^utierungssummensignal 43 wird in einem Schaltungsblock 52 ein in der Flankensteilheit von der Drehzahl abhängiges Sagezahnsignal 44 generiert. Weiterhin werden der Verriegelungs- und Steuereinheit 50 die Eingangsbedingungen wie Einschalten, mecrige Drehzahlstufe I, hohe Drehzahlstufe II und variable, kontinuierliche Steuerung über den Eingang EIN in Form einer analogen Spannung, die den Drehzahlsollwert darstellt, zugeführt.

Aus diesem die Eingangsbedingungen wiedergebenden Signal EIN und der:. Sagezahnsignal 43 generiert ein Funktionsblock 53 der Verriegelungs- und Steuereinheit 50 ein Rechtecksignal 45 durch Vergleich der Eingangsspannung EIN mit der Sägezahnspannung 43. Dieses Rechtecksignal 45 enthält die Information über den korrekten KommutierungsZeitpunkt und der vom Sollwert EIN gewünschten Drehzahl. Eine Verriegelung der Rechteckspannung 45 mit den zu den jeweiligen Strängen gehörenden Rotorpositionssignalen 41 und 42 in einem Schaltungsblock 54 erzeugt die den Leistungstransistoren zugeordneten KommutierungsSignale 46, 47, 48 und 49. Die Schaltungseinheit 55 liefert eine Verstärkung dieser Kommutierungssignale und bietet eine Verriegelungsmöglichkeit, so daß die jeweils geeigneten und notwendigen Ansteuersignale 31, 32, 33, 34 zum zeitgerechten Öffnen und Schließen der Leistungshalbleiterschalter 21, 22, 23, 24 in der gewünschten Sequenz vorhanden sind.

In Fig. 2, die aus Fig. 2A und Fig. 2B besteht, sind die zeitlichen Zusammenhänge der verschiedenen Spannungen und Signale über dem elektrischen Drehwinkel ωt dargestellt, die bereits im Zusammenhang mit der Beschreibung von Fig. 1 erwähnt wurden. So ist in Fig. 2A im oberen Teil die in der Wicklung 1 induzierte

Spannung 11 dargestellt. Die in Wicklung 3 induzierte Spannung 13 ist im darunter liegenden Zeitdiagramm dargestellt, sie ist um 90°el versetzt. Die in den anderen Wicklungen 2 und 4 induzierten Spannungen 12 und 14 sind nicht extra dargestellt, da sie zu den Spannungsverläufen 11 und 13 jeweils invers bzw. um 180°el versetzt sind. Die fünf Zeitdiagramme im unteren Teil der Fig. 2A stellen die aus den induzierten Spannungen 11 bis 14 gewonnenen Rctorpositionssignale 41 und 42 dar, das daraus generierte Kommutierungssummensignal 43, welches durch jede Flanke der Positionssignale 41 und 42 ein- bzw. ausgeschaltet wird, sowie weiterhin das im Schaltungsblock 52 erzeugte Sägezahnsignal 44 zusammen mit dem Gleichspannungssignal EIN. Im untersten Zeitdiagramm ist das aus dem Vergleich des Sägezahnsignals 44 mit dem Eingangssignal EIN gewonnene Rechtecksignal 45, das am Ausgang des Funktionsblocks 53 ansteht, dargestellt.

In der Fig. 2B sind im oberen Teil schematisch in einem Zeitdiagramm nochmals wegen der zeitlichen Zuordnung die Rotorpositionssignale 41 und 42 sowie die Signale 43, 44 und 45 über dem elektrischen Drehwinkel ωt aufgetragen. Darunter sind in drei Teilen die daraus abgeleiteten vier Ansteuersignale 31, 32, 33, 34 jeweils in zeitlicher Zuordnung über dem elektrischen Drehwinkel ωt dargestellt. Im oberen der drei Teile ist die Eingangsbedingung variabel, d.h. die Drehzahl entspricht einem Sollwert zwischen der niedrigen und der hohen, jeweils festen Drehzahlstufe, was einem Stromflußwinkel ψi zwischen 90°el und

180°el entspricht. Im darunter liegenden mittleren Teil liegt die Eingangsbedingung der Drehzahlstufe I vor, was dem

Stromflußwinkel ψi von 90°el entspricht. Im unteren Teil der Fig. 2B schließlich sind die Ansteuersignale 31, 32, 33, 34 jeweils in zeitlicher Zuordnung über dem elektrischen Drehwinkel ωt für den Fall der Drehzahlstufe II, was dem Stromflußwinkel ψi von 180°el entspricht, dargestellt. Es ist klar erkennbar, daß die Stromflußdauer entsprechend dem doppelt so großen Stomflußwinkel ebenfalls verdoppelt ist. Die in Fig. 2A und Fig. 2B dargestellte Art der stufenweisen Drehzahlumschaltung und der dazwischen liegenden variablen Drehzahleinstellung erfolgt auf einfache Weise mit Hilfe von Kleinsignalen in der Elektronik. Dies ist sehr einfach zu realisieren.

Das in Fig. 2 dargestellte Kommutierungssummensignal 43 ist in fester Zuordnung zu den strangbezogenen Rotorpositionssignale 41 und 42 zu sehen. Die Sägezahnspannung 44 wird aus diesem die Information über die tatsächliche Motordrehzahl enthaltenden Kommutierungssummensignal 43 erzeugt. Die abfallende Flanke der Sägezahnspannung 44 wird mit der Drehzahl des Motors gesteuert. Je höher die tatsächliche Drehzahl ist, um so schneller bzw. steiler fällt die Flanke ab. Das Flankenende erreicht immer die gleiche Spannung. Durch Vergleich mit der die Solldrehzahl darstellenden Eingangsgleichspannung EIN wird die Rechteckspannung 45 gewonnen. Diese schaltet den gerade stromführenden Transistor ab und leitet in Abhängigkeit von den Positionssignalen 41 und 42 die folgende Kommutierung ein. Damit ist es möglich, den Stromflußwinkel ψi abhängig von der Eingangsspannung EIN kontinuierlich zwischen den beiden Extremwerten von 90°el und 180"el zu steuern. Auf Grund der Darstellung der einzelnen Signale über dem Drehwinkel ωt wird die Drehzahl selbst nicht sichtbar.

Ein anderer ganz wesentlicher Punkt vorliegender Erfindung ist die dafür geeignete Gestaltung und Auslegung der Wicklungen im Stator des Motors. In Fig. 3 ist im oberen Teil schematisch der Spannungsverlauf U_ιn über dem elektrischen Drehwinkel ωt dargestellt, der in der gemäß der Erfindung gestalteten geeigneten Wicklung induziert wird. Der Wert U_ιnd der induzierten Spannung schwankt um den Fixwert U_B der

Spannungsquelle und zwar mit zwei ausgeprägten Maxi a oder Stufen. Dies ist zum einen das mit U_lS:, der ersten induzierten Spannung, bezeichnete Maximum, das beim Strom I₉₀, der dem Stromflußwinkel ψ_Λ von 90°el entspricht, induziert wird. Zum anderen ist dies das mit U_;S2, der zweiten induzierten Spannung, bezeichnete Maximum, das beim Strom I_arj_', der dem Stromflußwinkel ψ_. von 180°el entspricht, induziert wird. Im mittleren Teil der

Fig. 3 ist über dem elektrischen Drehwinkel ωt der zeitlich zugehörige Strangstrom I90 dargestellt. Im unteren Teil der Fig. 3 ist über dem elektrischen Drehwinkel ωt der zeitlich zugehörige Strangstrom Iiβo dargestellt. Bei der variablen Drehzahlsteuerung wird der Stromflußwinkel ψj zwischen 90°el und 180°el gewählt, so daß sich daraus angepaßte Strom- und Spannungsverläufe, ergeben, die auf die gewünschte Drehzahl passen. Es sei hier angemerkt, daß der in Fig. 3 im oberen Teil dargestellte

Spannungsverlauf U_ιnd in seiner Gesamtheit dem Stromverlauf des unteren Teils der Fig. 3, nämlich dem Strom I₁₈. zuzuordnen ist.

In Fig. 4, die aus den beiden Teilfiguren 4A und 4B besteht, ist schematisch der Aufbau der erfindungsgemäßen Wicklungsanordnung dargestellt, die einen Spannungsverlauf von der in Fig. 3 dargestellten Qualität ermöglicht. Die Darstellung ist dabei aus Gründen der besseren Überschaubarkeit auf eine Spule einer einzigen Strangwicklung beschränkt. Vom Blechpaket des Stators sind die Wicklungszahne 63, 64, 65, 66, 67, andeutungsweise dargestellt. Um diese und weitere nicht dargestellte Wicklungs¬ zähne werden die einzelnen Windungen der Wicklungen gewickelt, um in den einzelnen Zähnen die gewünschte Induktion zu erzeugen.

In Fig. 4A ist die erfindungsgemäße Wicklungsanordnung für einen linksdrehenden Motor dargestellt. Vom Wicklungsanfang A an beginnend wird zunächst im normalen Spulenschritt die erste Wicklung Wl mit der ersten Windungszahl Nl um die zugehörigen Wicklungszähne gewickelt. Im dargestellten Beispiel umfaßt der normale Spulenschritt zwei Wicklungszähne und zwar 64 und 65. Der Richtungssinn beim Wickeln der Wicklung ist dabei recntsdrehend, wie dies mittels des Pfeils 68 angedeutet ist. Wenn die erste Wicklung Wl fertig ist, wird gemäß der Erfindung eine zweite Wicklung W2 mit einer zweiten Windungszahl N2 über einen Wicklungszahn am Ende der Strangwicklung, und zwar im dargestellten Beispiel der letzte Zahn im zugehörigen Spuienschritt, nämlich Wicklungszahn 65, bis zum mit E bezeichneten Ende gewickelt.

In Fig. 4B ist die erfindungsgemäße Wicklungsanordnung für einen rechtsdrehenden Motor dargestellt, also mit einer Drehrichtung, die der in Fig. 4A dargestellten entgegengesetzt ist. Der Richtungssinn beim Wickeln ist beibehalten, also auch er.-sprechend dem Pfeil 68 rechtsdrehend. Vom Wicklungsanfang A an wird hier nun zunächst erfindungsgemäß die zweite Wicklung W2 mit ihrer zweiten Windungszahl N2 um den ersten Wicklungszahn 64 im aus zwei Wicklungszähnen 64 und 65 bestehenden normalen Spulenschritt gewickelt. Ist die Wicklung dieser zweiten Wicklung W2 beendet, folgt das Wickeln der ersten Wicklung Wl mit ihrer ers-en Windungszahl Nl um die Wicklungszähne 64 und 65, also das Wickeln im normalen Spulenschritt, bis zum Wicklungsende E.

Das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel gilt für eine Spule eines Stranges eines zweistrangigen Motors mit Einlochwicklung. Es ist auch anderes möglich. So ist es z.B. möglich die erste Wicklung um vier und die zweite Wicklung um zwei Wicklungszähne anzuordnen.

Im Hinblick auf die in Fig. 3 im oberen Teil dargestellte induzierte Spannung üin und die in Fig. 4 dargestellte erfindungsgemäß gestaltete Wicklungsanordnung, ist anzumerken, daß mit dem Verhältnis der Windungszahlen Nl und N2 der beiden Wicklungen Wl und W2 der Spannungsunterschied zwischen der ersten induzierten Spannung ü_iSι und der zweiten induzierten Spannung U_lS: bestimmt werden kann. So gilt, daß die erste induzierte Spannung U.c; proportional zur ersten Windungszahl Nl ist, d.h. U_lS_ « Nl, und daß die zweite induzierte Spannung U_lS2 proportional zur Summe aus erster und zweiter Windungszahl (Nl + N2) ist, d.h. U_lS2 * (Nl + N2) .

In Fig. 5 ist schematisch das Meßergebnis dargestellt, das sich für die induzierte Spannung U ergibt, wenn ein Strang des erfindungsgemäß gestalteten und betriebenen Motors stromlos ist. Die Darstellung gilt also für die in einem Strang induzierte Spannung. Die Spannung schwankt um die Versorgungsspannung ü_B.

Der Maßstab ist 5 Volt pro Kasten. Erkennbar ist die strukturelle und qualitative Übereinstimmung mit der in Fig. 3 dargestellten, quasi geforderten und aus Überlegungen heraus entwickelten Spannungsform.

In Fig. 6 ist schematisch das reale Meßergebnis dargestellt für den Verlauf von in einem Strang induzierter Spannung U und von der. dabei fließenden Strom I bei einem Stromflußwinkel ψ_x von 90°el. Der Maßstab beträgt 5 Volt bzw. 10 A pro Kästchen. In Fig. 7 ist dasselbe für einen Stromflußwinkel ψi von 180°el dargestellt. Diese realen Meßergebnisse zeigen eine erstaunlich gute strukturelle und qualitative Übereinstimmung des Strom- und Spannungsverlaufs πiit den in Fig. 3 dargestellten vorgegebenen Verläufen. Aus dem in Fig. 7 dargestellten realen Meßergebnis ist ein besonderer Vorteil der Erfindung erkennbar. Bei einem Motor mit herkömmlicher Wicklung und einem Sromflußwinkel von 180°el steigt am Ende der Stromflußzeit der Strom drastisch an und erschwert damit das Abschalten der Leistungshalbleiterschalter. Selbst eine leichte Frühkommutierung hilft hier nur geringfügig weiter. Es ist eindeutig und klar erkennbar, daß bei dem erfindungsgemäßen Motor in der zweiten Hälfte der Stromflußzeit eine deutliche Absenkung des Strangstromes vorhanden ist. Dies hat eine wesentlich erleichterte Abschaltung der Leistungshalbleiter¬ schalter, geringere Verluste, geringere Störungen und damit verbunden geringeren Aufwand zur Folge.

In Fig. 8 sind schematisch verschiedene gemessene Motorkennlinien dargestellt. Über dem Lastmoment M, angegeben in Ncm, sind dargestellt der Wirkungsgrad eta in %, die an der Motorwelle abnehmbare mechanische Leistung P2 in Watt, der Motorstrom I in A und die Drehzahl n in 1/min. Dabei sind die der Stromflußdauer von 90°el entsprechenden Werte in gestrichelten Linien eingezeichnet und die der Stromflußdauer von 180°el zugehörigen

Werte in durchgezogenen Linien eingezeichnet. Die Lastkurve L ist strichpunktiert dargestellt. Sie schneidet die jeweiligen Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien im Arbeitspunkt AP-I für das Moment M-I und die zugehörige niedrigere Drehzahlstufe I und im Arbeitspunkt AP-II für das höhere Moment M-II und die zugehörige höhere Drehzahlstufe II. Der Wirkungsgrad eta ist in beiden Fällen kaum unterschiedlich und liegt bei über 70%, wie die Schnittpunkte der Wirkungsgradkurven mit den Momentlinien M-I und M-II ergeben. Dies ist insbesondere für die niedrigere Drehzahlstufe I ein bemerkenswert guter Wirkungsgrad und für viele Einsatzbereiche des erfindungsgemäß gestalteten Motors von besonderem Vorteil. Bei der stufenlosen Verstellung der Drehzahl zwischen der niedrigen und der hohen Drehzahl kann jede zwischen den beiden Kurven mögliche Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie gefahren werden. Dabei bleibt, und dies ist besonders positiv und vorteilhaft, der Wirkungsgrad eta in nahezu gleicher Höhe bei mehr als 70% bestehen.

Im Hinblick auf den besonderen Vorteil des erfindungsgemäß gestalteten Motors des wesentlich verbesserten Betriebsverhaltens und des höheren Wirkungsgrads im Bereich niedriger Drehzahlen, insbesondere wenn diese stufenweise veränderbar sind, besteht ein bevorzugtes Einsatzgebiet dieses Motors bei Kühlgebläsen für Verbrennungsmotoren, die sehr oft nur oder überwiegend im niedrigen Drehzahlbereich betrieben werden. Durch die weitere Möglichkeit, im Bereich zwischen der niedrigen und der hohen Drehzahl die Drehzahl kontinuierlich verstellbar auf einen Zwischenwert einzustellen, ist es auf einfache Weise möglich, die Kühlwassertemperatur wesentlich genauer den optimalen Betriebsbedingungen eines Verbrennungsmotors anzupassen. Dort bzw. in ähnlichen Einsatzbereichen kommen dann zusätzlich die Vorteile des elektronisch kommutierten Motors mit hoher Lebensdauer und integrierter Bauform besonders vorteilhaft zur Geltung.

Insgesamt gesehen ist mit dem gemäß der Erfindung gestalteten Motor ein Motor mit einfacher Drehzahlstufenverstellung bzw. kontinuierlicher Drehzahlveränderung geschaffen, der einen besseren Wirkungsgrad besonders bei niedrigen Drehzahlen aufweist, und der wegen des erzielten kleineren Abschaltstroms geringere Schaltverluste und geringere Störungen mit sich bringt und somit geringeren Aufwand erfordert.

Claims

- 1i» -Ansprüche

1. Elektronisch kommutierter Gleichstrommotor mit Drehzahlverstellung, dadurch gekennzeichnet, daß zur Drehzahlverstellung des Motors der Strom lußwinkel (ψ bzw. die Stromflußdauer in den einzelnen Wicklungen (1,

2,

3, 4) elektronisch verändert wird, daß die Veränderung zwischen 90°el und 180°el erfolgt, und daß die Strangwicklung jeder einzelnen Spule des Motors mit einer ersten Wicklung (Wl) über mindestens zwei

Wicklungszähne (64, 65) und einer ersten Windungszahl (Nl) sowie mit einer zweiten Wicklung (W2) über einen einzigen Wicklungszahn (64 bzw. 65) dieser zumindest zwei Wicklungszähne (64, 65) und einer zweiten Windungszahl (N2) versehen ist, wobei der Richtungssinn (68) dieser beiden

Wicklungen (Wl, W2) gleich ist und die zweite Wicklung (W2) über einen einzigen Wicklungszahn (64 bzw. 65) am Ende (Fig. 4A) oder Anfang (Fig. 4B) der jeweiligen Strangwicklung angeordnet ist. 2. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Motor mit einer ersten Drehrichtung und bei einem ersten Richtungssinn (68) der Wicklungen (Wl, W2), beispielsweise rechtsdrehend, vom Wicklungsanfang (A) gesehen zunächst die erste Wicklung (Wl) mit der ersten

Windungszahl (Nl) im normalen Spulenschritt über mehr als einen Wicklungszahn, d. h. über alle zum Spulenschritt gehörende Wicklungszähne (64, 65) angeordnet ist und dann die zweite Wicklung (W2) mit der zweiten Windungszahl (N2) um den letzten Wicklungszahn (65) im zugehörigen

Spulenschritt angeordnet ist (Fig. 4A) , und daß bei einem Motor mit entgegengesetzter Drehrichtung und bei demselben Richtungssinn (68) der Wicklungen (Wl, W2), also rechtsdrehend, vom Wicklungsanfang (A) gesehen zunächst die zweite Wicklung (W2) mit der zweiten Windungszahl (N2) um den ersten Wicklungszahn (64) im zugehörigen Spulenschritt angeordnet ist und dann die erste Wicklung (Wl) mit der ersten Windungszahl (Nl) um alle Wicklungszahne (64, 65) im zugehörigen Spulenschritt angeordnet ist.

Gleichstrommotor nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahlverstellung in Stufen mittels schlagartiger, stufenweiser Veränderung des

Stromflußwinkels (ψ erfolgt.

4. Gleichstrommotor nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die elektronische Veränderung des

Stromflußwinkels (ψ die in den Strangwicklungen (1, 2, 3, 4) vorgesehenen elektronischen Leistungsschalter (21, 22, 23, 24) von einer Verriegelungs- und Steuerschaltung (50) mittels Ansteuersignale (31, 32, 33, 34) entsprechend ein- und ausgeschaltet werden, um den Stromfluß zwischen einer Spannungsquelle (ü_B) und Massepotential (Mp) zu ermöglichen.

5. Gleichstrommotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verriegelungs- und Steuereinheit (50) eingangsseitig mit Signalen (11, 12, 13, 14) über die Lage des Rotors (5) des Motors und einem Eingangssignal (EIN) zur Angabe der stufenweisen und/oder der kontinuierlichen Drehzahlverstellung beaufschlagt ist.

6. Gleichstrommotor nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er in Form der stufenweisen Drehzahlverstellung bevorzugt als Motor für Kühlgebläse verwendet wird, wobei der hauptsächliche Einsatz in der niedrigen Drehzahlstufe erfolgt.

7. Gleichstrommotor nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Leistungsschalter (21, 22, 23, 24)

MOSFET-Transistoren verwendet werden.

8. Gleichstrommotor nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungszahlen (Nl, N2) der beiden Wicklungen (Wl, W2) so gewählt sind , daß deren

Verhältnis den Spannungsunterschied zwischen den beiden induzierten Spannungen (U_iSι, U_iS2)in der gewünschten Weise bestimmt, wobei die erste induzierte Spannung (U_iSι) proportional zu der ersten Windungszahl (Nl) und die zweite induzierte Spannung (U_is.) proportional zu der Summe (Nl + N2) der beiden Windungszahlen ist.

9. Gleichstrommotor nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor als Innen- oder Außenläufermotor aufgebaut ist und/oder die Schaltung der Ströme in den Wicklungen in sogenannter Halb- oder Vollwellensteuerung erfolgt.

10. Gleichstrommotor nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Wicklung (W2) mit der zweiten Windungszahl (N2) um mehr als einen einzigen Wicklungszahn angeordnet ist, wenn der normale Spulenschritt die doppelte Anzahl von Wicklungszähnen umfaßt.