WO2011110375A2 - Motorsystem mit einer elektronisch kommutierten elektrischen maschine - Google Patents

Motorsystem mit einer elektronisch kommutierten elektrischen maschine Download PDF

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WO2011110375A2
WO2011110375A2 PCT/EP2011/050932 EP2011050932W WO2011110375A2 WO 2011110375 A2 WO2011110375 A2 WO 2011110375A2 EP 2011050932 W EP2011050932 W EP 2011050932W WO 2011110375 A2 WO2011110375 A2 WO 2011110375A2
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rotor
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    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H02P6/16—Circuit arrangements for detecting position

Definitions

  • the invention relates to electronically commutated electrical machines in which the commutation is carried out with the aid of simple and inexpensive rotor position sensors.
  • Electronically commutated electrical machines in particular electric motors have in connection with rotor position sensors the advantage that, in contrast to sensorless method for determining the rotor position, such as the so-called back EMF method, an immediate start of the electric motor with a maximum torque and the maintenance of this Allow torque even with a blocked runner.
  • rotor position sensors In three-phase electric machines, commonly used rotor position sensors have three sensor elements, e.g. Hall sensor elements which detect the field of a arranged on the rotor of the electric machine radially aligned transmitter magnets, and the stray field of arranged on or in the rotor permanent magnets. Also optical methods with so-called encoder discs can be used.
  • sensor elements e.g. Hall sensor elements which detect the field of a arranged on the rotor of the electric machine radially aligned transmitter magnets, and the stray field of arranged on or in the rotor permanent magnets.
  • optical methods with so-called encoder discs can be used.
  • the rotor position sensors are as simple as possible and therefore have only a low resolution.
  • the minimum resolution must correspond to 360 ° divided by the number of phases m and the pole pair number p of the rotor of the electric machine.
  • the control of the stator coils of the electric machine for commutation is dependent from the detected rotor position, wherein a commutation is usually carried out at a change of the rotor position signal.
  • the rotor position sensors are aligned so that a control unit that performs the control of the stator coils directly depending on the rotor position signal, the stator coils so controls that the stator flux (stator magnetization) is oriented in the average value perpendicular to the rotor flux (rotor magnetization).
  • the angular range of the active current is 360 ° divided by the product of the number of phases and number of pole pairs. In a two-pole machine, this results in an angular range of 60 ° and, as a result, six commutation processes per rotor revolution.
  • the maximum torque is generated at an electrically effective angle of 90 ° between the stator flux and the rotor flux density.
  • the electrically effective angle is calculated from the mechanical angle divided by the number of pole pairs of the electric machine. In order to generate the maximum torque, there must therefore be an electrically effective angle of 90 ° between the flooding and the excitation flux density on average over time.
  • a stator coil is thus connected to the voltage source at exactly the time when its saturation axis gives an electrically effective angle of 90 ° plus (counter to the direction of rotation) an angle which is half the width of a commutation interval of electrically active 60 ° , to a magnetization axis (D axis) of a pole pair of the rotor and at an angle of 90 ° minus (counter to the direction of rotation) of an angle resulting from the
  • This type of control provides good results in electronically commutated electric machines with magnetically symmetrical rotors, and is used in particular mostly when the electric machine is to work in both directions of rotation and over a wide speed range.
  • the electric machine has a rotor with buried magnets, in contrast to the usual design with shell-shaped or annular surface magnets, the frequent cuboid or bread-shaped magnets are found here. magnets inside the rotor yoke. This results in a magnetic asymmetry of the electric machine, since the magnetic conductance in the direction of the magnetization (D-axis) is lower than in a transverse direction (Q-axis) to. This results in a dependent of the rotor position inductance of the electric machine.
  • the stator coil whose magnetic axis coincides with the D axis of the rotor, has the minimum inductance and the phase strand whose magnetization axis coincides with the Q axis of the rotor (which is offset from the D axis by 90 ° electrical rotor position) the maximum inductance.
  • a simple remedy results from premature commutation, which is carried out for example by a rotation of the rotor position sensor by a defined angle against a predetermined direction of rotation.
  • the current increase during switching and thus the load on the semiconductor switching elements and the switching losses can be reduced.
  • this is only applicable to electric machines, which are operated only in one direction of rotation.
  • no symmetrical pre-commutation can be achieved in this way in both directions of rotation.
  • this pre-commutation on the one hand by the use of rotor position sensors with a much higher Resolution than that solved by the rotor position sensors according to the minimum resolution requirements, ie a resolution of 360 ° divided by the product of number of phases and number of pole pairs.
  • an adjustable delay element which achieves the desired Vorkommut réelle by a speed-dependent delay of the commutation signal.
  • the delay can also be implemented as a software routine in a microcontroller.
  • both measures increase the circuit complexity and the programming effort and reduce reliability due to the greater complexity.
  • an arrangement for operating an electronically commutated electrical machine comprises:
  • a rotor position sensor for arranging on the electric machine to provide depending on a rotor position angle range indicating the position in which a rotor of the electric machine is a rotor position indication, wherein an occurring during a movement of the rotor change between rotor position angle ranges to a change in the rotor position indication leads;
  • control unit which is designed to allocate in each case one or more of the rotor position indications a commutation angle range which indicates a specific drive state for the stator coils, so that a change in the commutation angle range can be achieved by a change in the rotor position specification is solved, and to change a mapping scheme of the associations between the rotor position information and the respective commutation ranges depending on a predetermined rotation direction indication indicating the desired direction of rotation.
  • One idea of the present invention is to reduce the effort in the control unit for driving the electric machine for operation in opposite directions of rotation, by only the assignment between the rotor position information and the respective commutation depending on a 10 predetermined direction of rotation indicating the desired direction of rotation is changed.
  • a maximum-moment rotor position may be defined indicating a rotor position at which the drive state associated with the respective commutation angular range causes stator magnetization with a direction perpendicular to a rotor magnetization direction, the commutation angle ranges being located between the maximum-moment rotor positions are, wherein in a rotor position, which is with respect to the direction of rotation by a commutation angle range before the maxmalomentom-rotor position of the respective drive state, the control starts and ends at a rotor position corresponding to the maximum torque rotor position, the control ends.
  • an anticipatory commutation can be provided for an electronically commutated electric machine whose rotor has a magnetically asymmetric design, such as electrical machines with buried magnets, for opposite directions of rotation.
  • a pre-commutation with respect to the commutation region arranged symmetrically about the maximum-moment rotor position by an electrical rotor position angle corresponding to half the width of the commutation interval of 360 ° divided by the product of phase number and pole pair number, a pre-commutation can be realized without additional components are needed. It is only necessary to adapt the arrangement of the rotor position sensor on the electric machine accordingly, so that the provision of 35 additional delay elements or the like for adapting the rotor position indication can be avoided. This makes it possible, in total, very much little additional effort to realize a pre-commutation in electric machines with magnetically asymmetric rotor for opposite directions of movement.
  • the rotor position sensor can be a resolution of the
  • each of the rotor angle ranges is assigned to one of the commutation angle ranges.
  • the rotor position sensor can have a resolution of the rotor position, so that in each case a plurality of the rotor angle ranges are assigned to one of the commutation regions.
  • control unit can be designed to perform the assignment of the one or more of the rotor position information to the commutation angle range with the aid of a look-up table and the assignment of the one or more of the rotor position information to the respective commutation angle range depending on the direction of rotation indication against the direction of rotation to move one or more Kommut réelleswinkel Anlagene.
  • control unit may be configured to achieve the shifting of the assignment of the one or more of the rotor position information to the respective commutation angle range as a function of the direction of rotation counter to the direction of rotation by modifying the rotor position specification.
  • the rotor position indication is provided by a plurality of rotor position signals, wherein the control unit further comprises one or more
  • an inverter for inverting one or more of the rotor position signals and a multiplexer for interchanging the inverted rotor position signals to provide the modified rotor position indication.
  • an engine system includes:
  • An electric machine with a stator winding which is arranged on a stator of the electric machine and having a plurality of stator coils, and a rotor which can be driven by an alternating current supply of the stator coils;
  • a method for operating an electrical machine comprising a stator winding, which is arranged on a stator of the electrical machine and has a plurality of stator coils, and a rotor, which can be driven by an alternating energization of the stator coils ;
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view of a three-phase electrical machine with two rotor pole pairs
  • Figure 2 is a schematic representation of a rotor position sensor for use with the electric machine of Figure 1;
  • FIG. 3 shows a driver circuit for controlling the electric machine of FIG. 1;
  • FIGS. 4a and 4b show time profiles of the phase current of a phase string during normal commutation or leading commutation of a machine having a magnetically asymmetrical rotor according to FIG. 1.
  • FIG. 5 shows a diagram for representing the torque of an electrical machine according to FIG. 1 via the flow-through angle ⁇ ;
  • Figures 6a and 6b are tables for illustrating the switching states of the power switching elements of the electric machine of Figures 1 to 3 for two different directions of rotation.
  • Figure 7 shows another embodiment for the realization of the engine system with a simple control unit.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional representation through a three-phase synchronous machine with two rotor pole pairs.
  • the synchronous machine 2 is part of an engine system 1 and comprises a stator 3 provided with stator teeth 4.
  • the stator teeth 4 are wound with stator coils 5, which form the stator winding.
  • the stator teeth 4 are directed in the embodiment shown by the stator 3 inwards.
  • the stator 3 and the stator teeth 4 define a cylindrical cavity in which a rotor 6 (rotor) is rotatably mounted.
  • the rotor 6 is provided in the illustrated embodiment with permanent magnets 7 which are arranged so that four rotor poles are formed.
  • the permanent magnets 7 are arranged in pockets 8 in the interior of the cylindrical runner 6 and each have a magnetization direction which runs radially to a longitudinal axis A of the rotor 6 and parallel to the associated rotor axis d. Such an arrangement leads to a rotor with 2 Läuferpolpresen.
  • the permanent magnets 7 are arranged such that adjacent permanent magnets in the circumferential direction have a polarization opposite to the radial direction.
  • FIG. 2 shows a rotor position sensor 10, which is axially connected to the rotor 6 of the electric machine 2, ie is coupled directly to it, so that the absolute position of the rotor 6 or the speed of the rotor 6 is detected with the aid of the rotor position sensor 10 can be.
  • the mechanical rotor position or mechanical rotor position angle is usually detected.
  • An electrical rotor position or mechanical rotor position angle results itself from the mechanical rotor position divided by the number of pole pairs (which corresponds to 2 in this embodiment).
  • the rotor position sensor 10 may have a ring magnet 1 1, which is arranged on an axial extension of the rotor 6.
  • the ring magnet 1 1 has areas with different directions of magnetization, wherein adjacent areas have mutually opposite magnetization.
  • the number of regions of alternating magnetization in the ring magnet 11 determines the resolution of the rotor position sensor L.
  • the ring magnet 11 has four magnetization regions.
  • Around the ring magnet are magnetic field detectors 12 offset by 60 ° from each other, e.g. Hall sensors or the like, arranged to provide a resolution that divides a full revolution of the electric machine into angular ranges.
  • the rotor position sensor 10 signals the respective rotor position angle range by a rotor position indication.
  • Another embodiment may include a disk-shaped magnet whose axial end face is magnetized. The sensors are then arranged axially next to the magnetic disk.
  • the resolution of the rotor position sensor 10 is adapted to the design of the electric machine 2.
  • the resolution of the rotor position sensor 10 is an integer multiple of the minimum resolution.
  • FIG. 3 shows an example of a power output stage 20, which is controlled by means of a control unit 30.
  • the power output stage 20 has a number of power switching elements 21, for example in the form of an inverter circuit (also called half-bridge circuits), which corresponds to the number of phases of the electric machine 2.
  • Each power switching element has a first semiconductor switch 22, which is connected to a high supply potential V H , and a second semiconductor switch 23, which is connected to a low supply potential V L.
  • the semiconductor switches 22, 23 may be formed as power semiconductor switches, such as in the form of IGBT, IGCT, thyristors, power MOSFETs and the like.
  • a control unit 30 which activates each of the semiconductor switches 22, 23 with the aid of a corresponding control signal, so that it is open (electrically non-conductive) or closed (electrically conductive).
  • the control of the controller 30 is such that one of the first semiconductor switch 22 of one of the power switching elements 21 is closed, while the remaining of the first semiconductor switches 22 are opened, and a second semiconductor switch 23 of another of the power switching elements 21 is closed, while the remaining second semiconductor switch 23 are open. In this way, at least two stator coils 5 (phase strand) of the electric machine 2 can always be energized during a commutation angle range.
  • the commutation angle range corresponds to a range of the rotor position angle and is defined as the entire area of the rotor 6, in which a current supply of a particular stator coil 5 by a corresponding control of the semiconductor switches 22, 23 of the power switching elements 21 is made.
  • the rotor position sensor 10 is usually aligned with the electric machine 2 in such a way that in connection with the control unit 30 the relevant stator coils 5 are controlled by the control pattern such that during operation the resulting stator flux is oriented perpendicular to the rotor flux.
  • the rotor position in which the stator flux (stator magnetization) with respect to the electrical rotor position perpendicular to the rotor flux (rotor magnetization) runs, causes the largest drive torque and is called in the following maximum-rotor position.
  • the drive of the driver circuit 20 can be made so that the stator flux is oriented on average perpendicular to the rotor flux.
  • a commutation angle range is arranged symmetrically about the maximum torque rotor position.
  • the commutation angle range then corresponds to a range which is determined between two successive centers in each case between two successive maximum momentum rotor positions.
  • due to the low resolution of the rotor position sensor 10 is often in a certain way on the rotor 6 of the electric machine. 2 arranged.
  • the rotor position sensor 10 provides, due to its limited resolution, a rotor position indication indicating a rotor position angle range.
  • the rotor position angle ranges generally correspond to angle ranges which correspond to the minimum resolution angle of the rotor position sensor 10.
  • the rotor position sensor 10 is arranged on the rotor 6 such that in each case a transition between successive commutation regions falls on a change between rotor position angle ranges of the rotor position sensor 10.
  • stator coil 5 whose magnetic axis is concatenated with a magnetization axis (D axis) of a rotor pole pair of the rotor 6, then has a minimum inductance, while the stator coil 5, whose magnetic axis with the Q axis of the rotor 6 (by 90 ° electrical rotor position offset to the D axis) is chained, having the maximum inductance.
  • FIG. 4 a shows a time profile of the motor current without the displacement of the rotor position in the commutation angle range. It will be appreciated that the relationship between the RMS value resulting from the squaring of the current waveform, which is responsible for the power losses, and the associated fundamental, which is representative of the torques, are not optimal.
  • FIG. 4b a time profile of the motor current is shown, which results when the commutation angle range is shifted counter to the direction of rotation.
  • the rotor position sensor 10 can be rotated by a defined rotor position angle in a predetermined direction of rotation relative to the electric machine 2. Without changing the control by the control unit 30 so the improved in terms of power losses curve of the motor current can be achieved.
  • the leading commutation in electrically commutated machines with an asymmetrical magnetization is advantageous not only with regard to the current flow. It also makes it possible to exploit the reaction torque of such a motor. For this purpose, the reaction torque, the permanent magnet torque and the resulting moment in the diagram of Figure 5 are shown.
  • the rotor position sensor 10 in such a way that a change of the rotor position indication takes place in such a way that the corresponding commutation angle range assigned to the control device for the electric machine at an electrical rotor position angle begins before the maximum torque rotor position of the respective commutation angle range and ends at the maximum torque rotor position of the respective commutation angle range.
  • RW corresponds to the rotor position angle
  • p the Läuferpolpressress and m the number of phases of the electric machine 2.
  • the set shift compared to normal operation with a mean flux angle of electrically effective 90 ° corresponds exactly to half the width of a commutation, ie in this embodiment of electrically effective 60 °, ie 30 ° (electric rotor position).
  • the unfavorable lag resulting from the shift of the commutation angle range becomes half of a commutation interval, in this embodiment of electrically active 60 ° for the opposite direction of rotation, by a shift of the drive patterns for the semiconductor switches 22, 23 by a commutation range, ie in this embodiment electrically effective 60 °, compensated, resulting in an effective anticipatory commutation by half the width of a Kommuttechniksintervals of electrically effective 60 °, ie by 30 °, results in this direction of rotation.
  • FIG. 7a shows a schematic block diagram with a rotor position sensor 40, a multiplexer 41 and a control unit 42, which provides the control signals for the semiconductor switches.
  • the rotor position sensor 40 outputs, as described above, a rotor position specification, this being encoded in three individual rotor position signals PosU, PosV, PosW.
  • rotor position sensors 40 in which a number of sensors is provided which corresponds to the number of phases of the electrical machine and which are at a mechanical rotor position angle of
  • this mechanical rotor position angle corresponds to 60 °, or electrically effective 120 °.
  • Each sensor provides one of the rotor position signals.
  • a signal pattern is obtained by rotating the electric machine through 360 ° electrical rotor position (corresponds to a rotation through 180 ° mechanical rotor position with two rotor pole pairs), as shown in FIG designed to assign depending on the rotor position signals PosU, PosV, PosW switching pattern T1 -T6 and the semiconductor switches 22, 23 to control accordingly.
  • the controller 42 can be made very simple, since only a transcoding of the rotor position signals PosU, PosV, PosW in switching pattern T1 -T6 for the semiconductor switches, e.g. with a lookup table or the like, must be implemented.
  • the displacement between the commutation region and the rotor position is effected in this embodiment with the aid of an inversion of the rotor position signals PosU, PosV, PosW and a permutation with the aid of a multiplexer 41.
  • the rotor Signals PosU, PosV, PosW provided in an inverted manner to provide the multiplexer 41, depending on a direction of rotation D, the original rotor position signals PosU, PosV, PosW or the inverted rotor position signals / PosU, / PosV, / PosW as the rotor position signals to be applied to the control unit 42.
  • the inverted rotor position signals / PosV, / PosV and / PosU are output to the corresponding inputs of the control device 42. Due to the periodicity of the rotor position signals, this corresponds more or less to an offset of the rotor position specification by the rotor position angle, which corresponds to the resolution of the rotor position sensor 40, in this case by 60 ° electrical rotor position. The additional expense for the realization of both directions of rotation is then only in the provision of inverted rotor position signals and the multiplexer 41.
  • the rotor position angle ranges that can be resolved by the rotor position sensor 40 are smaller than the commutation angle ranges, then this arrangement can be used in a corresponding manner since the inverted rotor position signals can be provided in any desired manner to the control unit 42 with the aid of the multiplexer 41.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Betreiben einer elektrischen Maschine (2), umfassend: - einen Läuferlagegeber (10; 40) zum Anordnen an der elektrischen Maschine (2), um abhängig von einem Läuferlagewinkelbereich, der angibt, in welcher Stellung sich ein Läufer (6) der elektrischen Maschine (2) befindet, eine Läuferlageangabe bereitzustellen, wobei ein bei einer Bewegung des Läufers (6) auftretender Wechsel zwischen Läuferlagewinkelbereichen zu einem Wechsel der Läuferlageangabe führt; - ein Steuergerät (30; 42), das ausgebildet ist, um jeweils einer oder mehreren der Läuferlageangaben einen Kommutierungswinkelbereich, der einen bestimmten Ansteuerzustand für die Statorspulen (5) angibt, zuzuordnen, so dass ein Wechsel des Kommutierungswinkelbereichs durch einen Wechsel der Läuferlageangabe ausgelöst wird, und um ein Zuordnungsschema der Zuordnungen zwischen den Läuferlageangaben und den jeweiligen Kommutierungsbereichen abhängig von einer vorgegebenen Drehrichtungsangabe, die die gewünschte Drehrichtung angibt, zu verändern.

Description

Beschreibung
Titel
Motorsystem mit einer elektronisch kommutierten elektrischen Maschine Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft elektronisch kommutierte elektrische Maschinen, bei denen die Kommutierung mit Hilfe von einfachen und kostengünstigen Läuferlagegebern durchgeführt wird.
Stand der Technik
Elektronisch kommutierte elektrische Maschinen, insbesondere Elektromotoren haben in Verbindung mit Läuferlagegebern den Vorteil, dass sie im Gegensatz zu sensorlosen Verfahren zur Bestimmung der Läuferlage, wie beispielsweise dem sogenannten Back-EMF-Verfahren, einen sofortigen Anlauf des Elektromotors mit einem maximalen Drehmoment sowie die Aufrechterhaltung dieses Drehmomentes auch bei einem blockierten Läufer ermöglichen.
Bei dreiphasigen elektrischen Maschinen besitzen die üblicherweise verwendeten Läuferlagegeber drei Sensorelemente, z.B. Hall-Sensorelemente, die das Feld eines an dem Läufer der elektrischen Maschine angeordneten radial ausgerichteten Gebermagneten, bzw. das Streufeld von am oder im Läufer angeordneten Permanentmagneten detektieren. Auch optische Verfahren mit sogenannten Geberscheiben können dazu verwendet werden.
Aus Kostengründen werden die Läuferlagegeber möglichst einfach aufgebaut und weisen daher nur eine geringe Auflösung auf. In der Regel muss die minimale Auflösung 360° geteilt durch die Anzahl der Phasen m und durch die Polpaarzahl p des Läufers der elektrischen Maschine entsprechen. Die Ansteuerung der Statorspulen der elektrischen Maschine für die Kommutierung erfolgt abhängig von der detektierten Läuferlage, wobei eine Kommutierung in der Regel bei einer Änderung des Läuferlagesignals erfolgt. Üblicherweise werden die Läuferlagegeber so ausgerichtet, dass ein Steuergerät, das die Ansteuerung der Statorspulen direkt abhängig von dem Läuferlagesignal vornimmt, die Statorspulen so ansteu- ert, dass die Statordurchflutung (Statormagnetisierung) im Mittelwert senkrecht zur Läuferdurchflutung (Läufermagnetisierung) orientiert ist. Der Winkelbereich der aktiven Bestromung beträgt 360° geteilt durch das Produkt aus Phasenzahl und Polpaarzahl. Bei einer zweipoligen Maschine ergibt sich somit ein Winkelbereich von 60° und - daraus resultierend - sechs Kommutierungsvorgänge pro Läuferumdrehung.
Da das Drehmoment einer elektrischen Maschine dem Vektorprodukt aus elektrischer Durchflutung und Erregerflussdichte proportional ist, wird das maximale Drehmoment bei einem elektrisch wirksamen Winkel von 90° zwischen der Sta- tordurchflutung und der Läuferflussdichte erzeugt. Der elektrisch wirksame Winkel errechnet sich aus dem mechanischen Winkel, dividiert durch die Polpaarzahl der elektrischen Maschine. Um das maximale Drehmoment zu erzeugen, muss also zwischen der Durchflutung und der Erregerflussdichte im zeitlichen Mittel ein elektrisch wirksamer Winkel von 90° bestehen. Eine Statorspule wird also genau zu dem Zeitpunkt mit der Spannungsquelle verbunden, in welchem ihre Durchflutungsachse einen elektrisch wirksamen Winkel von 90° zuzüglich (entgegen der Drehrichtung) eines Winkels, der sich aus der Hälfte der Breite eines Kommutie- rungsintervals von elektrisch wirksamen 60° ergibt, zu einer Magnetisierungsachse (D-Achse) eines Polpaares des Läufers aufweist und bei einem Winkel von 90° abzüglich (entgegen der Drehrichtung) eines Winkels, der sich aus der
Hälfte-der Breite eines Kommutierungsintervals von elektrisch wirksamen 60°ergibt, wieder von der Spannungsquelle getrennt.
Diese Art der Ansteuerung liefert bei elektronisch kommutierten elektrischen Ma- schinen mit magnetisch symmetrischen Läufern gute Ergebnisse, und wird insbesondere meist dann verwendet, wenn die elektrische Maschine in beide Drehrichtungen und über einen weiten Drehzahlbereich arbeiten soll.
Weist die elektrische Maschine einen Läufer mit vergrabenen Magneten auf, im Gegensatz zu der üblichen Ausführung mit schalen- oder ringförmigen Oberflächenmagneten, finden sich hier die häufigen quaderförmigen oder brotlaibförmi- gen Magnete im Inneren des Läuferjochs. Dadurch entsteht eine magnetische Asymmetrie der elektrischen Maschine, da der magnetische Leitwert in Richtung der Magnetisierung (D-Achse) geringer ist als in einer Querrichtung (Q-Achse) dazu. Daraus resultiert eine von der Läuferlage abhängige Induktivität der elektrischen Maschine. Die Statorspule, deren magnetische Achse mit der D-Achse des Läufers zusammenfällt, weist die minimale Induktivität auf und der Phasenstrang, dessen Magnetisierungsachse mit der Q-Achse des Läufers (die zur D- Achse um 90° elektrischer Läuferlage versetzt ist) zusammenfällt, weist die maximale Induktivität auf.
Für derartige elektrische Maschinen mit Läufern mit vergrabenen Permanentmagneten ist die obige Art der Ansteuerung nicht optimal. Im Einschaltzeitpunkt eines Phasenstranges ist dessen Induktivität gering, erreicht danach den Maximalwert, wenn die Statordurchflutung senkrecht zur Läuferdurchflutung orientiert ist, um danach wieder abzusinken. Das Absinken der Induktivität zum Ausschaltzeitpunkt des Phasenstranges verursacht einen starken Stromanstieg in diesem Phasenstrang, der zu einer starken Belastung der Halbleiterschaltelemente führt und damit auch hohe Schaltverluste mit sich bringt. Der sich bei einer derartigen elektrischen Maschine ergebene Stromverlauf weist einen im Verhältnis zu dem Mittelwert des Stromes hohen Effektivwert des Stromes auf, der für die Verluste maßgeblich verantwortlich ist.
Eine einfache Abhilfe ergibt sich durch eine vorzeitige Kommutierung, die beispielsweise durch eine Verdrehung des Läuferlagegebers um einen definierten Winkel entgegen einer vorbestimmten Drehrichtung durchgeführt wird. Dadurch kann der Stromanstieg bei Schalten und somit die Belastung der Halbleiterschaltelemente und die Schaltverluste reduziert werden. Dies ist jedoch nur bei elektrischen Maschinen anwendbar, die lediglich in einer Drehrichtung betrieben werden. Soll die elektrische Maschine jedoch in beiden Drehrichtungen betrieben werden, kann auf diese Weise keine in beide Drehrichtungen symmetrische Vorkommutierung erzielt werden. Bei einer Verdrehung des Läuferlagegebers an der elektrischen Maschine zum Erreichen einer Voreilung in einer Drehrichtung ergibt immer auch eine Nacheilung in der entgegengesetzten Drehrichtung. Gemäß dem derzeitigen Stand der Technik wird diese Vorkommutierung einerseits durch die Verwendung von Läuferlagegebern mit einer deutlich höheren Auflösung als die bei den Läuferlagegebern gemäß den minimalen Anforderungen an die Auflösung, d.h. einer Auflösung von 360° geteilt durch das Produkt aus Phasenanzahl und Polpaarzahl gelöst. Andererseits besteht in der Verwendung eines einstellbaren Verzögerungsgliedes, welches die gewünschte Vorkommutierung durch eine Drehzahl abhängige Verzögerung des Kommutierungssignals erzielt. Das Verzögerungsglied kann auch als Softwareroutine in einem Mikrokontroller implementiert werden. Beide Maßnahmen erhöhen jedoch den Schaltungsaufwand bzw. den Programmieraufwand und reduzieren aufgrund der größeren Komplexität die Zuverlässigkeit.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung zum Betreiben einer elektrischen Maschine, ein Motorsystem und ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine zur Verfügung zu stellen, die eine einfache Implementierung eines Betriebs einer elektronisch kommutierten elektrischen Maschine mit magnetisch unsymmetrischem Läufer in beide Drehrichtungen ermöglicht.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch die Anordnung zum Betreiben einer elektrischen Maschine gemäß Anspruch 1 sowie durch das Motorsystem und das Verfahren gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Anordnung zum Betreiben einer elektronisch kommutierten elektrischen Maschine vorgesehen. Die Anordnung umfasst:
- einen Läuferlagegeber zum Anordnen an der elektrischen Maschine, um abhängig von einem Läuferlagewinkelbereich, der angibt, in welcher Stellung sich ein Läufer der elektrischen Maschine befindet, eine Läuferlageangabe bereitzustellen, wobei ein bei einer Bewegung des Läufers auftretender Wechsel zwischen Läuferlagewinkelbereichen zu einer Änderung der Läuferlageangabe führt;
- ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um jeweils einer oder mehreren der Läuferlageangaben einen Kommutierungswinkelbereich, der einen bestimmten Ansteuerzustand für die Statorspulen angibt, zuzuordnen, so dass ein Wechsel des Kommutierungswinkelbereichs durch eine Änderung der Läuferlageangabe aus- gelöst wird, und um ein Zuordnungsschema der Zuordnungen zwischen den Läuferlageangaben und den jeweiligen Kommutierungsbereichen abhängig von einer vorgegebenen Drehrichtungsangabe, die die gewünschte Drehrichtung angibt, zu verändern.
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Eine Idee der vorliegenden Erfindung besteht darin, den Aufwand im Steuergerät zum Ansteuern der elektrischen Maschine für den Betrieb in entgegengesetzten Drehrichtungen zu reduzieren, indem lediglich die Zuordnung zwischen den Läuferlageangaben und den jeweiligen Kommutierungsbereichen abhängig von einer 10 vorgegebenen Drehrichtungsangabe, die die gewünschte Drehrichtung angibt, verändert wird.
Weiterhin kann in jedem der Kommutierungswinkelbereiche eine Maximalmoment-Läuferlage definiert sein, die eine Läuferlage angibt, bei der der dem jeweil s ligen Kommutierungswinkelbereich zugeordnete Ansteuerzustand eine Statormagnetisierung mit einer Richtung senkrecht zu einer Richtung einer Läufermagnetisierung bewirkt, wobei die Kommutierungswinkelbereiche zwischen den Maximalmoment-Läuferlagen angeordnet sind, wobei bei einer Läuferlage, die bezüglich der Drehrichtung um einen Kommutierungswinkelbereich vor der Maxi- 20 malmoment-Läuferlage des jeweiligen Ansteuerzustands liegt, die Ansteuerung beginnt und bei einer Läuferlage, die der Maximalmoment-Läuferlage entspricht, die Ansteuerung endet.
Dadurch kann bei einer elektronisch kommutierten elektrischen Maschine, deren 25 Läufer eine magnetisch asymmetrische Konstruktion aufweist, wie z.B. elektrische Maschinen mit vergrabenen Magneten, für entgegengesetzte Drehrichtungen eine vorauseilende Kommutierung vorgesehen werden. Durch Vorsehen einer Vorkommutierung bezüglich des symmetrisch um die Maximalmoment- Läuferlage angeordneten Kommutierungsbereichs um einen elektrischen Läufer- 30 lagewinkel,-der der halben Breite des Kommutierungsintervals von 360° dividiert durch das Produkt aus Phasenzahl und Polpaarzahl entspricht, kann eine Vorkommutierung realisiert werden, ohne dass zusätzliche Bauelemente benötigt werden. Es muss lediglich die Anordnung des Läuferlagegebers an der elektrischen Maschine entsprechend angepasst werden, so dass das Vorsehen von 35 zusätzlichen Verzögerungsgliedern oder dergleichen zur Anpassung der Läuferlageangabe vermieden werden kann. Dadurch ist es möglich, bei insgesamt sehr geringem zusätzlichem Aufwand eine Vorkommutierung bei elektrischen Maschinen mit magnetisch asymmetrischem Läufer für entgegengesetzte Bewegungsrichtungen zu realisieren. Gemäß einer Ausführungsform kann der Läuferlagegeber eine Auflösung der
Läuferlage aufweisen, so dass jeder der Läuferwinkelbereiche einem der Kommutierungswinkelbereiche zugeordnet ist. Alternativ kann der Läuferlagegeber eine Auflösung der Läuferlage aufweisen, so dass jeweils mehrere der Läuferwinkelbereiche einem der Kommutierungsbereiche zugeordnet sind.
Weiterhin kann das Steuergerät ausgebildet sein, um die Zuordnung der einen oder der mehreren der Läuferlageangaben zu dem Kommutierungswinkelbereich mit Hilfe einer Look-Up-Tabelle durchzuführen und um die Zuordnung der einen oder der mehreren der Läuferlageangaben zu dem jeweiligen Kommutierungs- winkelbereich abhängig von der Drehrichtungsangabe entgegen der Drehrichtung um eine oder mehrere Kommutierungswinkelbereiche zu verschieben.
Zusätzlich oder alternativ kann das Steuergerät ausgebildet sein, um das Verschieben der Zuordnung der einen oder der mehreren der Läuferlageangaben zu dem jeweiligen Kommutierungswinkelbereich abhängig von der Drehrichtungsangabe entgegen der Drehrichtung zu erreichen, indem die Läuferlageangabe modifiziert wird.
Es kann vorgesehen sein, dass die Läuferlageangabe durch mehrere Läuferla- gesignale bereitgestellt wird, wobei das Steuergerät weiterhin eine oder mehrere
Inverter zum Invertieren eines oder mehrere der Läuferlagesignale und einen Multiplexer zum Vertauschen der invertierten Läuferlagesignale aufweist, um die modifizierte Läuferlageangabe bereitzustellen. Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Motorsystem vorgesehen. Das Motorsystem umfasst:
- eine elektrische Maschine mit einer Statorwicklung, die an einem Stator der elektrischen Maschine angeordnet ist und mehrere Statorspulen aufweist, und einem Läufer, der durch eine wechselnde Bestromung der Statorspulen antreib- bar ist; und
- die obige Anordnung. Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine vorgesehen, wobei die elektrische Maschine eine Statorwicklung, die an einem Stator der elektrischen Maschine angeordnet ist und mehrere Statorspulen aufweist, und einen Läufer, der durch eine wechselnde Bestromung der Statorspulen antreibbar ist, umfasst;
wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- Bereitstellen einer Läuferlageangabe abhängig von einem Läuferlagewinkelbereich, der angibt, in welcher Stellung sich der Läufer befindet, bereitzustellen, wobei ein bei einer Bewegung des Läufers auftretender Wechsel zwischen Läuferlagewinkelbereichen zu einer Änderung der Läuferlageangabe führt;
- Zuordnen eines Kommutierungswinkelbereichs, der einen bestimmten Ansteuerzustand für die Statorspulen angibt, zu einer oder mehreren der Läuferlageangaben, so dass ein Wechsel des Kommutierungswinkelbereichs durch eine Änderung der Läuferlageangabe ausgelöst wird,
- Ändern der Zuordnungen zwischen den Läuferlageangaben und den jeweiligen Kommutierungsbereichen abhängig von einer vorgegebenen Drehrichtungsangabe, die die gewünschte Drehrichtung angibt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Querschnittsdarstellung einer dreiphasigen elektrischen Ma- schine mit zwei Läuferpolpaaren;
Figur 2 eine schematische Darstellung eines Läuferlagegebers zur Verwendung mit der elektrischen Maschine der Figur 1 ;
Figur 3 eine Treiberschaltung zur Ansteuerung der elektrischen Maschine der Figur 1 ;
Figuren 4a und 4b zeitliche Verläufe des Strangstroms eines Phasenstranges bei normaler Kommutierung bzw. voreilender Kommutierung einer Maschine mit magnetisch unsymmetrischem Läufer gemäß Figur 1 .
Figur 5 ein Diagramm zur Darstellung des Drehmomentes einer elektri- sehen Maschine gemäß Figur 1 über den Durchflutungswinkel φ; Figuren 6a und 6b Tabellen zur Veranschaulichung der Schaltzustände der Leistungsschaltelemente der elektrischen Maschine der Figuren 1 bis 3 für zwei verschiedene Drehrichtungen;
Figur 7 eine weitere Ausführung zur Realisierung des Motorsystems mit einem einfachen Steuergerät.
Beschreibung von Ausführungsformen
Figur 1 zeigt eine Querschnittsdarstellung durch eine dreiphasige Synchronma- schine mit zwei Läuferpolpaaren. Die Synchronmaschine 2 ist Teil eines Motorsystems 1 und umfasst einen Stator 3, der mit Statorzähnen 4 versehen ist. Die Statorzähne 4 sind mit Statorspulen 5 bewickelt, die die Statorwicklung bilden. Die Statorzähne 4 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel von dem Stator 3 nach innen gerichtet. Der Stator 3 und die Statorzähne 4 definieren einen zylinderför- migen Hohlraum, in dem ein Läufer 6 (Rotor) drehbeweglich angeordnet ist.
Der Läufer 6 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel mit Permanentmagneten 7 versehen, die so angeordnet sind, dass vier Läuferpole ausgebildet werden. Die Permanentmagneten 7 sind in Taschen 8 im Inneren des zylinderförmigen Läu- fers 6 angeordnet und weisen jeweils eine Magnetisierungsrichtung auf, die radial zu einer Längsachse A des Läufers 6 und parallel zu der zugehörigen Läuferachse d verläuft. Eine solche Anordnung führt zu einem Läufer mit 2 Läuferpolpaaren. Die Permanentmagneten 7 sind so angeordnet, dass in Umfangsrichtung benachbarte Permanentmagnete eine bezüglich der radialen Richtung entge- gengesetzte Polarisierung aufweisen. Die Magnetisierungsrichtungen der Permanentmagnete bilden D-Achsen des Läufers während Richtungen, die um einen elektrischen Läuferlagewinkel von 90° dazu versetzt verlaufen, als Q-Achsen bezeichnet werden. In Figur 2 ist ein Läuferlagegeber 10 dargestellt, der mit dem Läufer 6 der elektrischen Maschine 2 axial verbunden ist, d.h. direkt mit diesem gekoppelt ist, so dass die absolute Position des Läufers 6 bzw. die Drehzahl des Läufers 6 mit Hilfe des Läuferlagegebers 10 detektiert werden kann. Als absolute Position wird in der Regel die mechanische Läuferlage bzw. mechanischer Läuferlagewinkel er- fasst. Eine elektrische Läuferlage bzw. mechanischer Läuferlagewinkel ergibt sich aus der mechanischen Läuferlage dividiert durch die Polpaarzahl (die in diesem Ausführungsbeispiel 2 entspricht).
Der Läuferlagegeber 10 kann einen Ringmagneten 1 1 aufweisen, der an einer axialen Verlängerung des Läufers 6 angeordnet ist. Der Ringmagnet 1 1 weist Bereiche mit verschiedenen Magnetisierungsrichtungen auf, wobei benachbarte Bereiche eine zueinander entgegengesetzte Magnetisierung aufweisen. Die Anzahl der Bereiche wechselnder Magnetisierung in dem Ringmagneten 1 1 bestimmt die Auflösung des Läuferlagegebersl O. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Ringmagnet 1 1 vier Magnetisierungsbereiche auf. Um den Ringmagneten sind um 60° zueinander versetzt Magnetfelddetektoren 12, wie z.B. Hall- Sensoren oder dergleichen, angeordnet, um eine Auflösung bereitzustellen, die eine volle Umdrehung der elektrischen Maschine in Winkelbereiche unterteilt. Der Läuferlagegeber 10 signalisiert den jeweiligen Läuferlagewinkelbereich durch eine Läuferlageangabe. Eine weitere Ausführungsform kann einen scheibenförmigen Magneten umfassen, dessen axiale Stirnfläche magnetisiert ist. Die Sensoren werden dann axial neben der Magnetscheibe angeordnet.
Die Auflösung des Läuferlagegebers 10 ist an die Auslegung der elektrischen Maschine 2 angepasst. Die minimal notwendige Auflösung, d.h. die geringste
Anzahl der Läuferlagebereiche, in die eine volle Umdrehung des Läufers 6 aufgeteilt ist, der Anzahl der aufeinanderfolgenden Ansteuermuster, die zum Betreiben der elektrischen Maschine 2 für eine Läuferumdrehung angelegt werden sollen. Jedoch ist es auch möglich, dass die Auflösung des Läuferlagegebers 10 ein ganzzahliges Vielfaches der minimalen Auflösung beträgt.
In Figur 3 ist ein Beispiel für eine Leistungsendstufe 20 dargestellt, die mit Hilfe eines Steuergerätes 30 angesteuert wird. Die Leistungsendstufe 20 weist eine Anzahl von-Leistungsumschaltelementen 21 , z.B. in Form einer Inverterschaltung (auch Halbbrückenschaltungen genannt), auf, die der Anzahl von Phasen der elektrischen Maschine 2 entspricht. Jedes Leistungsumschaltelement weist einen ersten Halbleiterschalter 22 auf, der mit einem hohem Versorgungspotenzial VH verbunden ist, und einen zweiten Halbleiterschalter 23, der mit einem niedrigen Versorgungspotenzial VL verbunden ist. Die Halbleiterschalter 22, 23 können als Leistungshalbleiterschalter, wie z.B. in Form von IGBT, IGCT, Thyristoren, Leis- tungs-MOSFETs und dergleichen ausgebildet sein. Es ist weiterhin ein Steuergerät 30 vorgesehen, das mit Hilfe eines entsprechenden Steuersignals jeden der Halbleiterschalter 22, 23 ansteuert, so dass dieser geöffnet (elektrisch nicht-leitend) oder geschlossen (elektrisch leitend) ist. In der Regel erfolgt die Ansteuerung des Steuergeräts 30 derart, dass einer der ersten Halbleiterschalter 22 einer der Leistungsumschaltelemente 21 geschlossen ist, während die übrigen der ersten Halbleiterschalter 22 geöffnet sind, und ein zweiter Hableiterschalter 23 eines weiteren der Leistungsumschaltelemente 21 geschlossen ist, während die übrigen zweiten Halbleiterschalter 23 geöffnet sind. Auf diese Weise können immer mindestens zwei Statorspulen 5 (Phasenstrang) der elektrischen Maschine 2 während eines Kommutierungswinkelbereichs be- stromt werden. Der Kommutierungswinkelbereich entspricht einem Bereich des Läuferlagewinkels und ist als der gesamte Bereich des Läufers 6 definiert, in dem eine Bestromung einer bestimmten Statorspule 5 durch eine entsprechende Ansteuerung der Halbleiterschalter 22, 23 der Leistungsumschaltelemente 21 vorgenommen wird.
Wie eingangs beschrieben, wird üblicherweise der Läuferlagegeber 10 so an der elektrischen Maschine 2 ausgerichtet, dass in Verbindung mit dem Steuergerät 30 die betreffenden Statorspulen 5 durch das Ansteuermuster so angesteuert werden, dass während des Betriebs die resultierende Statordurchflutung im Mittel senkrecht zur Läuferdurchflutung orientiert ist. Die Läuferlage, bei der die Statordurchflutung (Statormagnetisierung) bezüglich der elektrischen Läuferlage senkrecht zur Läuferdurchflutung (Läufermagnetisierung) verläuft, bewirkt das größte Antriebsmoment und wird im Folgenden Maximalmoment-Läuferlage genannt.
In Verbindung mit der bekannten vorgegebenen Positionierung des Läuferlagegebers 10 an dem Läufer 6 der elektrischen Maschine 2 kann die Ansteuerung der Treiberschaltung 20 so vorgenommen werden, dass die Statordurchflutung im Mittel senkrecht zur Läuferdurchflutung orientiert ist. Mit anderen Worten wird ein Kommutierungswinkelbereich symmetrisch um die Maximalmoment- Läuferlage angeordnet. Der Kommutierungswinkelbereich entspricht dann einem Bereich, der zwischen zwei aufeinanderfolgenden Mitten jeweils zwischen zwei aufeinanderfolgenden Maximalmoment-Läuferlagen bestimmt ist. Um dies zu erreichen, wird aufgrund der geringen Auflösung häufig der Läuferlagegeber 10 in bestimmter weise an dem Läufer 6 der elektrischen Maschine 2 angeordnet. Der Läuferlagegeber 10 stellt aufgrund seiner beschränkten Auflösung eine Läuferlageangabe bereit, die einen Läuferlagewinkelbereich angibt. Die Läuferlagewinkelbereiche entsprechen in der Regel Winkelbereichen, die dem minimalen Auflösungswinkel des Läuferlagegebers 10 entsprechen. Der Läuferlagegeber 10 wird so an dem Läufer 6 angeordnet, dass jeweils ein Übergang zwischen aufeinanderfolgenden Kommutierungsbereichen auf einen Wechsel zwischen Läuferlagewinkelbereichen des Läuferlagegebers 10 fällt.
Bei elektrischen Maschinen, bei denen aufgrund der Konstruktion des Läufers 6 keine magnetische Symmetrie vorliegt, da der magnetische Leitwert der Permanentmagnete 8 geringer ist als das Material, aus dem der Läufer 6 gefertigt ist, führt dies dazu, dass die Induktivität der elektrischen Maschine 2 läuferlageab- hängig ist. Die Statorspule 5, deren magnetische Achse mit einer Magnetisierungsachse (D-Achse) eines Läuferpolpaares des Läufers 6 verkettet ist, weist dann eine minimale Induktivität auf, während die Statorspule 5, deren magnetische Achse mit der Q-Achse des Läufers 6 (um 90° elektrische Läuferlage zu der D-Achse versetzt) verkettet ist, die maximale Induktivität aufweist. Dies führt dazu, dass bei oben beschriebener Kommutierung der Statorspulen 5 zum Einschaltzeitpunkt der Statorspulen 5 deren resultierende Induktivität gering ist, dann nach einer Bewegung des Läufers 6 zu der Maximalmoment-Läuferlage bezüglich der angesteuerten Statorspule 5, den Maximalwert erreicht, um bei der weiteren Bewegung des Läufers 6 wieder abzusinken. Die sinkende Induktivität zum Ausschaltzeitpunkt der Statorspule 5 verursacht einen starken Stromanstieg in der Statorspule 5, der eine starke Belastung der Halbleiterschalter 22, 23 in der-Leistungsendstufe 20 und damit auch hohe Schaltverluste mit sich bringt.
Dieser Effekt lässt sich reduzieren, indem der Kommutierungswinkelbereich bezüglich der Maximalmoment-Läuferlage aus der Symmetrie entgegen der Drehrichtung des Läufers 6 verschoben wird. In Figur 4a ist ein zeitlicher Verlauf des Motorstroms ohne die Verschiebung der Läuferlage in dem Kommutierungswinkelbereich dargestellt. Man erkennt, dass das Verhältnis zwischen dem Effektivwert, der sich aus der Quadrierung des Stromverlaufs ergibt und der für die Leistungsverluste verantwortlich ist, und der zugehörigen Grundschwingung, die für die Drehmomente maßgeblich ist, nicht optimal sind. Dazu ist im Vergleich in Fi- gur 4b ein zeitlicher Verlauf des Motorstromes dargestellt, der sich ergibt, wenn der Kommutierungswinkelbereich entgegen der Drehrichtung verschoben wird. Insbesondere kann dazu der Läuferlagegeber 10 um einen definierten Läuferlagewinkel in eine vorgegebene Drehrichtung bezüglich der elektrischen Maschine 2 verdreht werden. Ohne Änderung der Ansteuerung durch das Steuergerät 30 kann so der hinsichtlich der Leistungsverluste verbesserte Verlauf des Motor- Stroms erreicht werden.
Die voreilende Kommutierung bei elektrisch kommutierten Maschinen mit einer unsymmetrischen Magnetisierung ist nicht nur im Hinblick auf den Stromverlauf vorteilhaft. Sie ermöglicht darüberhinaus auch noch das Reaktionsmoment eines solchen Motors auszunutzen. Dazu sind das Reaktionsmoment, das Permanentmagnetenmoment und das resultierende Moment in dem Diagramm der Figur 5 dargestellt. Im Gegensatz zu dem Drehmoment, welches durch das Zusammenwirken von Läufermagneten und Statordurchflutung erzeugt wird und eine Periodizität von 360° (elektrische Läuferlage) mit einem Maximum bei einem Durchflutungswinkel von φ = 90° (elektrische Läuferlage) aufweist, weist das Reaktionsmoment, welches aus dem winkelabhängigen magnetischem Leitwert des Läufers 6 resultiert, eine Periodizität von 180° (elektrische Läuferlage) auf, wobei das Maximum bei einem Durchflutungswinkel von φ = 135° (elektrische Läuferlage) liegt. Es ist ersichtlich, das sich das Maximum des Drehmoments zu größe- ren Durchflutungswinkel φ > 90° (elektrische Läuferlage) verschiebt.
Wenn die elektrische Maschine 2 in beide Drehrichtungen mit dem Vorteil der verringerten Leistungsverluste betrieben werden soll, ist jedoch das Verfahren des Verschiebens des Kommutierungswinkelbereichs entgegen der Drehrichtung nur mit einem vergrößerten Aufwand im Steuergerät 30 implementierbar. Der
Grund hierfür liegt darin, dass sich nicht für beide Drehrichtungen eine symmetrische Vorkommutierung erzielen lässt. Bei einer Verdrehung um einen voreilenden Winkel in der einen Drehrichtung ergibt sich zwangsläufig auch immer ein nacheilender Drehwinkel in der anderen Drehrichtung.
Um nun die elektrische Maschine 2 für einen Betrieb mit einem optimierten Motorstrom in beide Drehrichtungen auszulegen, ist daher vorgesehen, den Läuferlagegeber 10 so anzuordnen, dass ein Wechsel der Läuferlageangabe so erfolgt, dass der entsprechende von dem Steuergerät zugeordnete Kommutierungswin- kelbereich für die elektrische Maschine bei einem elektrischen Läuferlagewinkel vor der Maximalmoment-Läuferlage des betreffenden Kommutierungswinkelbereichs beginnt und bei der Maximalmoment-Läuferlage des betreffenden Kommu- tierungswinkelbereichs endet. RW entspricht dem Läuferlagewinkel, p der Läuferpolpaarzahl und m der Anzahl der Phasen der elektrischen Maschine 2. Die eingestellte Verschiebung gegenüber dem normalen Betrieb mit einem mittleren Durchflutungswinkel von elektrisch wirksamen 90° entspricht genau der halben Breite eines Kommutierungsintervalls, d.h. bei diesem Ausführungsbeispiel von elektrisch wirksamen 60°, also 30° (elektrische Läuferlage).
Ein Beispiel für die Zuordnung der von dem Läuferlagegeber 10 angegebenen Läuferlagebereiche zu den einzelnen Kommutierungswinkelbereichen KW ist in der Tabelle der Figur 6a dargestellt. Für jeden Kommutierungswinkelbereich KW sind dort die Schaltzustände der Halbleiterschalter 22, 23 (T1 -T6) als Ansteuermuster zugeordnet zu dem elektrischen Läuferlagebereich, in dem die Schaltzustände angenommen werden sollen, angegeben. Wird die Anordnung des Läuferlagegebers 10 an der elektrischen Maschine 2 entsprechend obiger Vorgehensweise entgegen dieser Drehrichtung versetzt, kann die dazu entgegenge- setzte Drehrichtung realisiert werden, indem, wie in der Tabelle der Figur 6b dargestellt ist, die Kommutierungswinkelbereiche und die dazu entsprechenden Ansteuermuster um 1 nach rechts verschoben werden. Also wird die aus der Verschiebung des Kommutierungswinkelbereichs resultierende ungünstige Nacheilung um die Hälfte eines Kommutierungsintervals, bei diesem Ausführungsbei- spiel von elektrisch wirksamen 60° für die entgegengesetzte Drehrichtung durch eine Verschiebung der Ansteuermuster für die Halbleiterschalter 22,23 um einen Kommutierungsbereich, also bei diesem Ausführungsbeispiel um elektrisch wirksame 60°, kompensiert, wodurch sich auch in dieser Drehrichtung eine wirksame vorauseilende Kommutierung um die halbe Breite eines Kommutierungsintervals von elektrisch wirksamen 60°, also um 30°, ergibt.
Da bei den meisten Anwendungen die Kommutierung der elektrischen Maschine 2 durch einen softwaregesteuerten Microcontroller bewerkstelligt wird, ist die Vorkommutierung sehr einfach durch Verwendung von Ansteuertabellen zu imp- lementieren. Im Steuergerät 30 wird dann abhängig von einer Drehrichtungsangabe die Zuordnung der Tabelle der Fig. 6a oder der Fig. 6b angewendet. Dadurch ist es möglich, eine elektrische Maschine mit magnetisch unsymmetrischem Läufer ohne nennenswerten Mehraufwand mit hohem Wirkungsgrad mit Hilfe einer Elektronik-Baugruppe zu betreiben, die prinzipiell nur für den Betrieb von elektrisch kommutierten Maschinen mit magnetisch symmetrischem Läufer ausgelegt wurde.
Eine weitere Ausführungsform ist in Verbindung mit den Figuren 7a und 7b dargestellt. Die Figur 7a zeigt ein schematisches Blockdiagramm mit einem Läuferlagegeber 40 einem Multiplexer 41 und einem Steuergerät 42, das die Steuersignale für die Halbleiterschalter bereitstellt. Der Läuferlagegeber 40 gibt, wie oben beschrieben eine Läuferlageangabe aus, wobei diese in drei einzelnen Läuferlagesignalen PosU, PosV, PosW kodiert ist. Dies ist beispielsweise bei Läuferlagegebern 40 der Fall, bei denen eine Anzahl von Sensoren vorgesehen ist, die der Phasenzahl der elektrischen Maschine entspricht und die zueinander um einen mechanischen Läuferlagewinkel von
versetzt an dem Läufer 6 der elektrischen Maschine 2 angeordnet sind. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel entspricht dieser mechanische Läuferlagewinkel 60°, oder elektrisch wirksame 120°. Jeder Sensor stellt eines der Läuferlagesignale zur Verfügung. Man erhält bei einer dreiphasigen elektrischen Maschine mit zwei Läuferpolpaaren ein Signalmuster bei einer Drehung der elektrischen Maschine um 360° elektrischer Läuferlage (entspricht einer Drehung um 180° mechanischer Läuferlage bei zwei Läuferpolpaaren), wie es in Figur 7b dargestellt ist.. Das Steuergerät 42 ist ausgebildet, um abhängig von den Läuferlagesignalen PosU, PosV, PosW Schaltmuster T1 -T6 zuzuordnen und die Halbleiterschalter 22, 23 entsprechend anzusteuern. In diesem Fall kann das Steuergerät 42 sehr einfach ausgebildet sein, da lediglich eine Umcodierung der Läuferlagesignale PosU, PosV, PosW in Schaltmuster T1 -T6 für die Halbleiterschalter, z.B. mit einer Lookup-Tabelle oder dergleichen, umgesetzt werden muss.
Die Verschiebung zwischen dem Kommutierungsbereich und der Läuferlage erfolgt bei dieser Ausführungsform mit Hilfe einer Invertierung der Läuferlagesignale PosU, PosV, PosW und einer Vertauschung mit Hilfe eines Multiplexers 41. Im vorliegendem Ausführungsbeispiel werden mit Hilfe von Invertern 43 die Läufer- Signale PosU, PosV, PosW invertiert bereitgestellt, um dem Multiplexer 41 entweder abhängig von einer Drehrichtungsangabe D die ursprünglichen Läuferlagesignale PosU, PosV, PosW oder die invertierten Läuferlagesignale /PosU, /PosV, /PosW als die an das Steuergerät 42 anzulegenden Läuferlagesignale bereitzustellen. Anstatt der Läuferlagesignale PosU, PosV, PosW werden an die entsprechenden Eingänge des Steuergeräts 42 die invertierten Läuferlagesignale /PosV, /PosV und /PosU ausgegeben. Durch die Periodizität der Läuferlagesignale entspricht dies quasi einem Versatz der Läuferlageangabe um den Läuferlagewinkel, der der Auflösung des Läuferlagegebers 40 entspricht, in diesem Fall um 60° elektrischer Läuferlage. Der Mehraufwand zur Realisierung beider Drehrichtungen steht dann lediglich in dem Bereitstellen von invertierten Läuferlagesignalen und des Multiplexers 41 . Sind die Läuferlagewinkelbereiche, die durch den Läuferlagegeber 40 aufgelöst werden können, kleiner als die Kommutierungswinkelbereiche, so lässt sich diese Anordnung in entsprechender Weise verwenden, da mit Hilfe des Multiplexers 41 die invertierten Läuferlagesignale in beliebiger Weise an das Steuergerät 42 zur Verfügung gestellt werden können.

Claims

Ansprüche
1 . Anordnung zum Betreiben einer elektrischen Maschine (2), umfassend:
- einen Läuferlagegeber (10; 40) zum Anordnen an der elektrischen Maschine (2), um abhängig von einem Läuferlagewinkelbereich, der angibt, in wel- eher Stellung sich ein Läufer (6) der elektrischen Maschine (2) befindet, eine
Läuferlageangabe bereitzustellen, wobei ein bei einer Bewegung des Läufers (6) auftretender Wechsel zwischen Läuferlagewinkelbereichen zu einer Änderung der Läuferlageangabe führt;
- ein Steuergerät (30; 42), das ausgebildet ist, um jeweils einer oder mehre- ren der Läuferlageangaben einen Kommutierungswinkelbereich, der einen bestimmten Ansteuerzustand für die Statorspulen (5) angibt, zuzuordnen, so dass ein Wechsel des Kommutierungswinkelbereichs durch eine Änderung der Läuferlageangabe ausgelöst wird, und um ein Zuordnungsschema der Zuordnungen zwischen den Läuferlageangaben und den jeweiligen Kommu- tierungsbereichen abhängig von einer vorgegebenen Drehrichtungsangabe, die die gewünschte Drehrichtung angibt, zu verändern.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , wobei in jedem der Kommutierungswinkelbereiche eine Maximalmoment-Läuferlage definiert ist, die eine Läuferlage an- gibt, bei der der dem jeweiligen Kommutierungswinkelbereich zugeordnete
Ansteuerzustand eine Statormagnetisierung mit einer Richtung senkrecht zu einer Richtung einer Läufermagnetisierung bewirkt,
wobei die Kommutierungswinkelbereiche zwischen den Maximalmoment- Läuferlagen angeordnet sind, wobei bei einer Läuferlage, die bezüglich der Drehrichtung um einen Kommutierungswinkelbereich vor der Maximalmoment-Läuferlage des jeweiligen Ansteuerzustands liegt, die Ansteuerung beginnt und bei einer Läuferlage, die der Maximalmoment-Läuferlage entspricht, die Ansteuerung endet. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Läuferlagegeber (10; 40) eine Auflösung der Läuferlage aufweist, so dass jeder der Läuferwinkelbereiche einem der Kommutierungswinkelbereiche zugeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Läuferlagegeber (10; 40) eine Auflösung der Läuferlage aufweist, so dass jeweils mehrere der Läuferwinkelbereiche einem der Kommutierungsbereiche zugeordnet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, das Steuergerät (30) ausgebildet ist, um die Zuordnung der einen oder der mehreren der Läuferlageangaben zu dem Kommutierungswinkelbereich mit Hilfe einer Look-Up-Tabelle durchzuführen, und um die Zuordnung der einen oder der mehreren der Läuferlageangaben zu dem jeweiligen Kommutierungswinkelbereich abhängig von der Drehrichtungsangabe entgegen der Drehrichtung um eine oder mehrere Kommutierungswinkelbereiche zu verschieben.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Steuergerät (30) ausgebildet ist, um das Verschieben der Zuordnung der einen oder der mehreren der Läuferlageangaben zu dem jeweiligen Kommutierungswinkelbereich abhängig von der Drehrichtungsangabe entgegen der Drehrichtung zu erreichen, indem die Läuferlageangabe modifiziert wird.
Anordnung nach Anspruch 6, wobei die Läuferlageangabe durch mehrere Läuferlagesignale bereitgestellt wird, wobei das Steuergerät (42) weiterhin eine oder mehrere Inverter (43) zum Invertieren eines oder mehrere der Läuferlagesignale und einen Multiplexer (41 ) zum Vertauschen der invertierten Läuferlagesignale aufweist, um die modifizierte Läuferlageangabe bereitzustellen.
Motorsystem (1 ), umfassend:
- eine elektrische Maschine (2) mit einer Statorwicklung, die an einem Stator (3) der elektrischen Maschine (2) angeordnet ist und mehrere Statorspulen (5) aufweist, und einem Läufer (6), der durch eine wechselnde Bestromung der Statorspulen (5) antreibbar ist; und
- eine Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine (2), wobei die elektrische Maschine (2) eine Statorwicklung, die an einem Stator (3) der elektri- sehen Maschine (2) angeordnet ist und mehrere Statorspulen (5) aufweist, und einen Läufer (6), der durch eine wechselnde Bestromung der Statorspulen (5) antreibbar ist, umfasst;
wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- Bereitstellen einer Läuferlageangabe abhängig von einem Läuferlagewinkelbereich, der angibt, in welcher Stellung sich der Läufer (6) befindet, wobei ein bei einer Bewegung des Läufers (6) auftretender Wechsel zwischen Läuferlagewinkelbereichen zu einer Änderung der Läuferlageangabe führt;
- Zuordnen eines Kommutierungswinkelbereichs, der einen bestimmten Ansteuerzustand für die Statorspulen (5) angibt, zu einer oder mehreren der Läuferlageangaben, so dass ein Wechsel des Kommutierungswinkelbereichs durch eine Änderung der Läuferlageangabe ausgelöst wird,
- Ändern der Zuordnungen zwischen den Läuferlageangaben und den jeweiligen Kommutierungsbereichen abhängig von einer vorgegebenen Drehrichtungsangabe, die die gewünschte Drehrichtung angibt.
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