WO2019141842A1 - Elektromotor - Google Patents

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WO2019141842A1
WO2019141842A1 PCT/EP2019/051357 EP2019051357W WO2019141842A1 WO 2019141842 A1 WO2019141842 A1 WO 2019141842A1 EP 2019051357 W EP2019051357 W EP 2019051357W WO 2019141842 A1 WO2019141842 A1 WO 2019141842A1
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WO
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winding
electric motor
auxiliary
auxiliary winding
drive
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/051357
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English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Baeuerle
Thomas Fruehschuetz
Udo Sieber
Tobias Kloiber
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2019141842A1 publication Critical patent/WO2019141842A1/de

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K29/00—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices
    • H02K29/06—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with position sensing devices
    • H02K29/12—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with position sensing devices using detecting coils using the machine windings as detecting coil
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/60—Controlling or determining the temperature of the motor or of the drive
    • H02P29/64—Controlling or determining the temperature of the winding
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • 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 present invention relates to an electric motor.
  • the electric motor is an electronically commutated motor, e.g. around a brushless DC motor.
  • the invention relates to a system comprising an electric motor and a control device for the
  • a stator is provided with a winding, wherein the winding has a plurality of phases or coils.
  • the phases In order to operate the electric motor, the phases must be controlled accordingly to generate a rotating field, which must be known for the Ansteuem a current position of the rotor. This means that one
  • Position sensors based on physical effects known, for example, Hall sensors, optical sensors or inductive sensors.
  • Hall sensors for example, optical sensors or inductive sensors.
  • optical sensors for example, optical sensors or inductive sensors.
  • inductive sensors require a minimum space, so that an application is not possible in every case.
  • Position detection of the rotor can be falsified by the necessary for the drive current flow and by a T perperature dependency of the internal resistance of the drive winding. This results in an unreliable determination of the rotor position, especially in the lower speed range, since there is no sufficient signal-to-noise ratio.
  • Zero crossings of the drive voltage of the coils are used for detecting the position of the rotor.
  • the electric motor according to the invention allows a secure and reliable detection of the rotor position, especially in low-speed areas.
  • the electric motor is in particular an electronically commutated motor, e.g. a brushless DC motor or a permanent or electrically excited synchronous machine, and includes a rotor and a stator.
  • the rotor and / or stator has a base body, which is provided with at least one
  • the drive winding serves to drive the rotor.
  • the stator comprises said main body with the drive winding, while the rotor may comprise permanent magnets.
  • permanent magnets are arranged on the rotor or the rotor is designed as a permanent magnet.
  • the rotor has the drive winding, in which case a transmission of electrical power from the rotor to a stationary control device must be possible, for example via slip rings.
  • a current flows through the drive winding, the current generating magnetic fields, which in turn are used to drive the rotor.
  • the rotor and / or stator additionally has at least one auxiliary winding independent of the drive winding.
  • the auxiliary winding is to
  • a rotor position can be determined on the basis of the induced voltage in the auxiliary winding. Since the auxiliary winding is independent of the drive winding, there are no disturbances in the auxiliary winding as in the drive winding, so that a signal-to-noise ratio is improved, in particular increased. Thus, the auxiliary winding makes it possible to safely and reliably estimate the rotor position even at low speeds.
  • the drive winding is to be regarded as the entirety of all the coils on the rotor or the stator which are connected in one phase.
  • several phases are present, so that several
  • Each drive winding comprises at least one coil, in particular a plurality of coils, wherein each coil is attached to a tooth or to a plurality of teeth of the base body.
  • the coils can be manufactured independently of each other and connected to the electric motor according to a predefined scheme for the phase in the same way is under an auxiliary winding in the context of this invention, the totality of all coils on the rotor or the stator to be considered, in particular urch
  • Series connection and / or parallel connection are interconnected, at which an induced voltage is tapped and do not contribute to the drive of the rotor. It can e.g. two coils to an auxiliary winding
  • the electric motor may e.g. as a brush motor or as an electronically commutated motor, e.g. be designed as a brushless DC motor.
  • An electronically commutated motor, e.g. brushless DC motor or a permanent magnet synchronous machine may e.g. three phases and thus three
  • Drive windings include, so that the total number of coils
  • the rotor advantageously has no winding but comprises permanent magnets. He can e.g. when
  • Permanent magnet be formed. This allows no
  • the drive coil and the auxiliary coil are advantageously attached to the stator.
  • Under the auxiliary winding is to be understood in the context of this invention, a coil or an interconnection of a plurality of coils on which or at which a voltage is measurable.
  • a 3-phase system advantageously two coils per phase, ie per drive winding, available.
  • adjacent coils are preferably offset by 60 ° to each other, coils that belong to the same phase / winding are then offset by 180 °.
  • the distance between the coils is 120 ° (but each coil belongs to one) other phase / winding).
  • the auxiliary winding is preferably galvanically isolated from the drive winding.
  • a mutual influencing of the drive winding and auxiliary winding is prevented or at least made more difficult. This allows in particular a
  • the drive winding serves exclusively for driving the rotor, while by means of the auxiliary winding, a rotor position can be estimated or determined. Therefore, the high currents that usually flow within the drive winding can not lead to disturbances that adversely affect the estimation.
  • auxiliary windings are provided on the stator.
  • these auxiliary windings are independent of one another and thus permit the induced voltage to be determined independently of one another at two different positions of the stator.
  • the auxiliary windings thus allow an improved estimation or determination of the current rotor position. It is envisaged that two adjacent auxiliary windings in
  • auxiliary windings can be formed, which enables a fine scanning of induced voltages. This makes it possible to accurately estimate or determine the rotor position on the basis of the induced voltage.
  • auxiliary windings are interconnected at different positions.
  • each phase winding it is advantageous for each phase winding to distribute one or more windings spatially over the circumference of the stator.
  • individual pairs of Auxiliary windings form, for example, wherein a first pair with respect to a center axis of the electric motor at 0 ° and 180 °, a second pair at 60 ° and 240 and a third pair at 120 ° and 300 ° is mounted.
  • the pairs of auxiliary windings are distributed uniformly over the stator or rotor and thus allow reliable detection of induced voltages and a resulting reliable estimation or determination of a rotor position. If at least three auxiliary windings are present, the evaluation of the
  • the electric motor is designed such that the rotor is driven exclusively by the drive winding. This means that only through the drive winding an electric current must flow.
  • the auxiliary winding does not require any electrical current to flow. Rather, it is
  • the at least one auxiliary winding serves to purely measure an induced voltage and to estimate the rotor position, based on the measured voltage, while the
  • the base body advantageously has a plurality of tooth elements.
  • the tooth elements may e.g. each record a coil of the drive winding.
  • all tooth elements together take up the entire
  • the base body comprises a yoke element.
  • the yoke element serves for the annular connection of the tooth elements. It is also possible that the drive winding is arranged at least partially on the yoke element. Each auxiliary winding is arranged either on the toothed element or on the yoke element. Thus, optimal measurement results can be achieved.
  • the teeth extend in a radial direction, while the yoke element extends in the direction of rotation.
  • Radial direction and the direction of rotation are determined in particular based on a Mitelachse of the electric motor.
  • the center axis of the electric motor is in particular a center axis of the rotor and thus an axis about which the rotor rotates.
  • the auxiliary winding is attached to the toothed element and / or on the yoke element.
  • Auxiliary windings may in particular also be located on a plurality of toothed elements and / or at a plurality of locations on the yoke element. The exact configuration of the attachment of the at least one auxiliary winding is dependent on a specific construction situation of the electric motor and requirements with regard to the accuracy of the estimate of the current Rotoriage.
  • Jochelement is sufficient space for the auxiliary winding with single tooth winding and thermally advantageous, since coils can be very hot.
  • this attachment is very easy to implement even with distributed winding, since no superposition of the auxiliary winding and drive winding occurs in the winding head.
  • the construction of the yoke element is simpler since no recess is needed.
  • Such a recess is advantageous for receiving the winding, since radial projections over the outer diameter of the yoke element are to be avoided preferably because of the assembly in a motor housing.
  • a simpler connection of the auxiliary coils results in electronics.
  • the at least one auxiliary winding is preferably attached to the base body at the same location as at least part of the at least one drive winding.
  • the auxiliary winding is mounted particularly advantageous over the drive winding.
  • the drive winding is advantageously attached to the tooth elements as previously described.
  • the auxiliary winding is advantageously also attached to the tooth elements, wherein the auxiliary winding is wound onto the drive winding. This means that the toothed element is first wound with the drive winding, then the
  • auxiliary winding above the drive winding, whereby the auxiliary winding is not shielded by the drive winding.
  • the auxiliary winding can thus safely and reliably measure an induced voltage without departing from the
  • a line cross section of the auxiliary winding is smaller than a line cross section of the drive winding.
  • the term "wire cross-section” is understood to mean that cross-section which has a wire which has been wound to produce the drive winding or the auxiliary winding. This means that a wire with a smaller cross section than for the drive winding can be used for the auxiliary winding. This is possible because the
  • Auxiliary winding is not traversed by large currents, as is the case with the drive winding.
  • the drive winding it is provided that the
  • the line cross section of the auxiliary winding is smaller than the line cross section of the drive winding.
  • the line cross section of the auxiliary winding is at most half as large as the line cross section of
  • the line cross-section of the auxiliary winding is a maximum of 20% or a maximum of 3% or even a maximum of 1% of the line cross-section
  • the cross section of the auxiliary winding is at most 0.5 mm 2 , for example, 0.14 mm 2 .
  • the drive coil can have for example a cross section of between 1 mm 2 and 100 mm 2, for example musslOmm 2 and 40mm 2, for example 14mm. 2
  • a number of turns of the auxiliary winding is advantageously greater than one turn number of the drive winding. This particularly preferably refers to a location where drive winding and auxiliary winding are present at the same time. So is advantageously on a toothed element a predefined
  • Winding number of the drive winding present wherein in addition a further predefined number of turns of the auxiliary winding is present, wherein the
  • Number of turns of the auxiliary winding is greater than or equal to the number of turns of the Drive winding on the toothed element, In particular, the number of turns of the auxiliary winding at least by a factor of 5 is greater than the number of turns of the drive winding, Particularly advantageously, the number of turns of the auxiliary winding is at least a factor of 10 greater than the number of turns of the drive winding. In this way, it is possible to increase a voltage induced in the auxiliary winding, especially at low speed with a low induced voltage per turn of the auxiliary winding, so that a sufficiently high signal-to-noise ratio is achieved. In comparison to a measurement of the induced voltage only at the drive winding, this leads to a higher induced voltage and thus to the fact that the rotor position can be reliably and reliably estimated even at very low rotational speeds of the electric motor.
  • Drive winding to take which more turns than the drive winding can be used with a corresponding higher value of the induced voltage.
  • the invention also relates to a system comprising an electric motor as described above and a control unit.
  • the control unit is designed to determine a position of the rotor on the basis of a voltage induced in the Hiifewicklung of the electric motor. Since, as described above, the auxiliary winding allows a greater signal-to-noise ratio than when measured by means of the drive winding, the control unit can thus optimally estimate a rotor position of the electric motor.
  • Commutation of the electric motor allows. This is especially true for low speed ranges in which a measurement of the induced voltage on the basis of the drive winding has a very low signal-to-noise ratio.
  • the control device is designed to switch the drive winding at least partially de-energized while measuring a voltage induced in the auxiliary winding.
  • a voltage measuring device may in particular be part of the control device.
  • the voltage measuring device is designed with high resistance (eg greater than 500 kilo-ohms or greater than one megohm or greater than 10 megohms), whereby an electric current flowing in the auxiliary winding is minimized.
  • the auxiliary winding is advantageously provided for measuring the induced voltage. Therefore, any current flow within the auxiliary winding is undesirable.
  • the voltage measuring device is coupled to the auxiliary winding, whereby a high electrical resistance is connected to the auxiliary winding. This results in that only a very small flow can flow when measuring the induced voltage. Thus, negative effects on the
  • the control unit is advantageously set up to determine a temperature within the electric motor on the basis of a comparison of a voltage induced in the auxiliary winding and a voltage which can be measured at the non-current-connected drive winding.
  • a voltage can be measured on the drive winding which results from the induced voltage through the rotor magnetic field, the inductive voltage drop due to self-inductance and coupling inductance and the ohmic voltage drop across the coil resistance.
  • the coil resistance is the electrical resistance of the corresponding phase of the drive winding and thus dependent on a temperature. Since the proportion of the induced voltage by the rotor magnetic field due to the auxiliary winding is known and the remaining portions of the induced voltage can be determined with little effort or at least be estimated, can from the on
  • Drive winding measured voltage of the above-described resistive voltage drop can be extracted.
  • the current flowing through the drive winding current can also be determined easily and with little effort, so that the electrical resistance, which currently has the corresponding phase of the drive winding, can be determined. This allows a conclusion on a current temperature of the drive winding and thus a temperature within the electric motor.
  • the control unit is advantageously also designed to the
  • control unit controls e.g. only the drive winding to produce a rotating field through which the rotor of the
  • Electric motor is rotated.
  • FIG. 1 shows schematically an electric motor according to a
  • Figure 1 shows schematically an electric motor 1 according to a
  • the electric motor 1 comprises a rotor 2 and a stator 3.
  • a center axis 100 is defined, wherein with respect to this central axis 100, a circumferential direction UM and a radial direction R is present.
  • the rotor 2 has in particular a plurality of permanent magnets.
  • the stator 3 has a plurality of drive windings 5, wherein three phases are formed by the drive windings 5 in the illustrated embodiment (in principle, only two phases or more than three phases are possible). Each drive winding 5 in turn comprises two coils 12a, 12b, 12c.
  • one drive winding 5 has a pair of first coils 12a
  • another drive winding 5 has a pair of second coils 12b
  • another drive winding 5 has a pair of third coils 12c.
  • the individual coils 12a, 12b, 12c are each mounted offset by 60 ° in the circumferential direction UM on the stator 3.
  • the stator 3 has a multiplicity of tooth elements 8 which extend in the radial direction R.
  • a yoke element 9 running in the circumferential direction UM, a magnetic inference and a mechanical connection of the individual teeth 8 are achieved.
  • the yoke element 9 and the teeth 8 together form one
  • the electric motor 1 is part of a system 13 according to an embodiment of the invention.
  • the system 13 further comprises a control unit 10, wherein the control unit 10 is provided on the one hand for estimating or determining a rotor position of the rotor 2 and for driving the individual phases of the drive winding 5.
  • the control unit 10 is connected to a power electronics 11.
  • the power electronics 1 1 is used to drive the individual phases of the drive winding 5.
  • the commutation takes place here, for example, sensorless, ie without information of a position sensor that determines a current rotor position of the rotor 2. Rather, a rotor position of the rotor 2 is determined on the basis of a voltage induced by the rotor 2.
  • FIG. 1 shows two auxiliary windings 6, each auxiliary winding 6 being coupled to a voltage measuring device 7 which determines an induced voltage on the auxiliary winding 6.
  • Voltage measuring device 7 is in turn coupled to signal transmission to the control unit 10, so that the control unit 10 is an induced voltage available. Based on this from the rotor 2 in the
  • Auxiliary windings 6 induced voltage can estimate an actual rotor position of the rotor 2.
  • FIG. 1 shows by way of example that each auxiliary winding 6 is either wound over the drive winding 5 or alternatively is present on the yoke element 9 between two teeth 8. It is preferably provided that one each
  • Auxiliary winding 6 is attached to each toothed element 8 of the base body 4 of the stator 3 and / or on the yoke element 9 between each toothed element 8 of the main body 4 of the stator 3. If an auxiliary winding 6 attached to the toothed element 8, this auxiliary winding 6 is preferably above the
  • the toothed element 8 is first wound with the drive winding 5, then with the auxiliary winding 6.
  • the drive winding 5, the auxiliary winding 6 does not shield and / or cover, resulting in a negative effect on the auxiliary winding 6 would lead.
  • the auxiliary winding 6 is located either on the toothed element 8 or on the toothed element 8
  • Yoke element 9 It will be described below by way of example how an estimate of the rotor position of the rotor 2 can be made by means of the auxiliary windings 6 which are present on the tooth elements 8. In the event that auxiliary coils 6 around the
  • Yoke element are wound, is only a corresponding one
  • the voltage is measured from the terminal of the electric motor 1 to the neutral point.
  • the neutral point of the electric motor 1 must either be led to the outside or simulated by means of a resistor network in the control unit 10.
  • Electric motor 1 and f denotes the angle to be determined.
  • the rotor angle f can be determined twice per revolution, namely at 0 "and 180 °.
  • the condition is that the signal Uu has a sufficient amplitude or that the speed is sufficiently high - as you can see in the above formula. Accordingly, one proceeds with the other phases and can thus determine the angle of the measured voltage 6 times per revolution. In between, interpolating eg in the simplest case based on the current speed.
  • auxiliary winding 6 When using the wound over the drive windings 5 auxiliary winding 6 can proceed completely analog.
  • the auxiliary winding 6 is also interconnected to a star point.
  • the auxiliary winding 6 is not connected to the power electronics 11. It is therefore expected a higher signal quality or less interference.
  • the ends of the auxiliary winding 6 are connected outside of the electric motor 1 or in the control unit 10 to a neutral point. This is much easier than leading the star point of the electric motor 1 to the outside or to emulate the star point through a resistor network.
  • the auxiliary winding 6 can obtain a number of turns per tooth element 8 which is higher by a factor N than the drive winding 5.
  • the voltage at the same speed is also higher by a factor of N.
  • the estimation of the rotor position of the rotor 2 may also be performed based on a calculation of the induced voltage.
  • Hiifswickiung 6 here is the elimination of the term for the ohmic voltage drop, since the parameter Rs with the temperature and possibly the frequency or, the speed of the electric motor 1 varies and thus contains uncertainties that may affect the quality of Winkeibetician ,
  • the electric motor 1 is exemplarily equipped with a speed control, wherein a speed, for example, in the range of 10 6 rpm (revolutions per minute) may be.
  • a maximum effective phase current is several hundred amperes.
  • a current results, for example, between 100 A and 200 A through each individual coil 12.
  • the drive winding 5 preferably comprises a conductor with a
  • a stranded wire with 10 mm 2 Cross-sectional area usable, one Windungszahi per toothed element 8 is 10.
  • a cross section of the conductor of the auxiliary coil for example, only a maximum of 1, 0mm 2 or a maximum of 0.5mm 2 , for example, 0.14mm 2 ,
  • the auxiliary winding 6 is advantageously formed high impedance and allows no or only a minimal flow of current.
  • the number of turns of the auxiliary winding 6 is e.g. greater than or equal to the number of turns of the drive winding 5 per tooth element 8.
  • 10 turns in the drive winding 5 and also 10 turns for the auxiliary winding 6 may be provided.
  • 10 turns of the drive winding 5 at least 20 turns of the auxiliary winding 6 or at least 50 turns or even at least 100 turns of the auxiliary winding 6 may be provided.
  • As the conductor for the auxiliary winding 6, e.g. Copper wire paint can be used.
  • the auxiliary winding 6 is advantageously galvanically isolated from the drive winding 5. In particular, it is thus achieved that disturbance variables of the drive winding 5 do not influence a measurement of the induced voltage by means of the auxiliary winding 6. Furthermore, it is provided in the described embodiment that the auxiliary windings 6 all have a spacing of 60 °. It is provided that in the circumferential direction UM at least a distance of at least 5 ° or at least 15 "exists.
  • FIG. 1 also shows that there is a strict separation of tasks between auxiliary winding 6 and drive winding 5.
  • the drive winding 5 is connected to the power electronics 1 1, while the auxiliary winding 6 with the
  • Voltage measuring device 7 is connected. A drive of the electric motor 1 via the auxiliary windings 6 is not provided. Likewise, a measurement of the induced voltage on the drive winding 5 is not provided in the illustrated embodiment.
  • the estimation or determination of the rotor position can also be effected by the detection or measurement of the induced voltages on the auxiliary winding 6 and on the drive winding 5.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromotor (1), insbesondere einen elektronisch kommutierten Motor, umfassend einen Rotor (2) und einen Stator (3), wobei der Rotor (2) und/oder Stator (3) einen Grundkörper (4) aufweist, der mit zumindest einer Antriebswicklung (5) zum Antreiben des Rotors (2) versehen ist, wobei der Rotor (2) und/oder Stator (3) neben der Antriebswicklung (5) zumindest eine von der Antriebswicklung (5) unabhängige Hilfswicklung (6) aufweist, und wobei die Hilfswicklung (6) zur Messung einer induzierten Spannung vorgesehen ist

Description

Beschreibung
Titel
Elektromotor
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromotor. Bei dem Elektromotor handelt es sich insbesondere um einen elektronisch kommutierten Motor, z.B. um einen bürstenlosen Gleichstrommotor. Außerdem betrifft die Erfindung ein System, umfassend einen Elektromotor und ein Steuergerät für den
Elektromotor.
Aus dem Stand der Technik sind elektronisch kommutierte Motoren, z.B.
bürstenlose Gleichstrommotoren bekannt. Bei diesen ist ein Stator mit einer Wicklung versehen, wobei die Wicklung mehrere Phasen bzw. Spulen aufweist. Um den Elektromotor betreiben zu können, müssen die Phasen entsprechend angesteuert werden, um ein Drehfeld zu erzeugen, wobei für das Ansteuem eine aktuelle Lage des Rotors bekannt sein muss. Dies bedeutet, dass eine
Kommutierung durchgeführt werden muss, die abhängig von der aktuellen Lage des Rotors ist. Zum Erfassen der aktuellen Lage des Rotors sind
Positionssensoren auf Basis physikalischer Effekte bekannt, beispielsweise Hallsensoren, optische Sensoren oder induktive Sensoren. Diese Sensoren benötigen jedoch einen Mindestbauraum, so dass eine Applikation nicht in jedem Fall möglich ist.
Aus der DE 103 57 504 At ist eine Vorrichtung zur Bestimmung der Rotorlage eines Elektromotors bekannt, bei der lediglich ein einziges Sensorelement benötigt wird.
Des Weiteren sind sensorlose Verfahren bekannt, bei denen kein dedizierter Positionssensor vorhanden ist. Hier wird die Position vielmehr anhand von anderen Messgrößen abgeschätzt. So werden oftmals Phasenspannung und/oder Phasenstrom der einzelnen Phasen der Wicklung ausgewertet. Diese Signale sind jedoch meist von Störungen überlagert. Beispielsweise weist die Antriebswicklung einen elektrischen Widerstand auf. Dadurch wird bewirkt, dass eine Messung einer induzierten Spannung an einer Antriebswicklung zur
Lageerkennung des Rotors durch den für den Antrieb notwendigen Stromfluss sowie durch eine T emperaturabhängigkeit des inneren Widerstands der Antriebswicklung verfälscht werden kann. Dadurch ergibt sich speziell im unteren Drehzahlbereich eine nicht zuverlässige Ermittlung der Rotorlage, da kein ausreichender Signal-Rausch-Abstand vorhanden ist.
Aus der DE 100 36 413 A1 ist eine solche Einrichtung zur Positionserfassung eines sensorlosen bürstenlosen Gleichstrommotors bekannt, bei der die
Nulldurchgänge der Antriebsspannung der Spulen zur Lageerkennung des Rotors genutzt werden.
Offenbarung der Erfindung
Der erfindungsgemäße Elektromotor erlaubt ein sicheres und zuverlässiges Erfassen der Rotorlage insbesondere auch in Bereichen mit geringer Drehzahl.
Der Elektromotor ist insbesondere ein elektronisch kommutierter Motor, z.B. ein bürstenloser Gleichstrommotor oder eine permanent oder elektrisch erregte Synchronmaschine, und umfasst einen Rotor und einen Stator. Der Rotor und/oder Stator weist einen Grundkörper auf, der mit zumindest einer
Antriebswicklung versehen ist. Die Antriebswicklung dient zum Antreiben des Rotors. Vorteilhaft ist vorgesehen, dass der Stator besagten Grundkörper mit der Antriebswicklung umfasst, während der Rotor Permanentmagnete umfassen kann. Beispielsweise sind an dem Rotor Permanentmagnete angeordnet oder der Rotor ist als Permanentmagnet ausgebildet. Ebenso ist möglich, dass der Rotor die Antriebswicklung aufweist, wobei in diesem Fall eine Übertragung der elektrischen Leistung von dem Rotor auf ein stationäres Steuergerät ermöglicht sein muss, beispielsweise über Schleifringe. Durch die Antriebswicklung fließt vorteilhafterweise ein Strom, wobei der Strom magnetische Felder erzeugt, die wiederum zum Antreiben des Rotors verwendet werden. Der Rotor und/oder Stator weist neben der Antriebswicklung zusätzlich zumindest eine von der Antriebswicklung unabhängige Hilfswicklung auf. Die Hilfewicklung ist zur
Messung einer induzierten Spannung vorgesehen.
Der Ausdruck„umfassen“ wird synonym zum Ausdruck„aufweisen“ verwendet.
Insbesondere ist somit ermöglicht, dass unabhängig von der Antriebswicklung eine Rotorlage anhand der induzierten Spannung in der Hilfswicklung festgestellt werden kann. Da die Hilfswicklung von der Antriebswicklung unabhängig ist, finden sich in der Hilfewicklung keine Störgrößen wie in der Antriebswicklung, so dass ein Signal-Rausch-Abstand verbessert, insbesondere vergrößert, ist. Somit ermöglicht die Hilfswicklung, die Rotorlage auch bei niedrigen Drehzahlen sicher und zuverlässig abzuschätzen.
Unter der Antriebswicklung ist im Rahmen dieser Erfindung die Gesamtheit aller Spulen an dem Rotor oder dem Stator anzusehen, die zu einer Phase verschaltet sind. Insbesondere sind mehrere Phasen vorhanden, sodass mehrere
Antriebswicklungen an dem Grund körper angebracht sind. Die einzelnen Antriebswicklungen können damit als einzelne Phasen des Elektromotors angesteuert werden. Jede Antriebswicklung umfasst zumindest eine Spule, insbesondere mehrere Spulen, wobei jede Spule an einem Zahn oder an mehreren Zähnen des Grundkörpers angebracht ist. Die Spulen können unabhängig voneinander gefertigt werden und an dem Elektromotor nach einem vordefinierten Schema zu der Phase verschaltet sein in gleicher Weise ist unter einer Hilfswicklung im Rahmen dieser Erfindung die Gesamtheit aller Spulen an dem Rotor oder dem Stator anzusehen, die, insbesondere urch
Reihenschaltung und/oder Parallelschaltung, miteinander verschaltet sind, an denen eine induzierte Spannung abgegriffen wird und die nicht zum Antrieb des Rotors beitragen. Es können z.B. zwei Spulen zu einer Hilfswicklung
zusammengeschaltet werden, so dass sich das Signal der induzierten Spannung erhöhen lässt und damit auch die Genauigkeit der Bestimmung der Rotorlage, insbesondere bei geringen Drehzahlen.
Der Elektromotor kann z.B. als Bürsten motor oder als elektronisch kommutierter Motor, z.B. als bürstenloser Gleichstrommotor, ausgebildet sein. Ein elektronisch kommutierter Motor, z.B. bürstenloser Gleichstrommotor oder eine permanent erregte Synchronmaschine, kann z.B. drei Phasen und damit drei
Antriebswicklungen umfassen, so dass die gesamte Anzahl der Spulen
bevorzugt ein Vielfaches von 3 beträgt. Der Rotor weist vorteilhafterweise keine Wicklung auf, sondern umfasst Permanentmagnete. Er kann z.B. als
Permanentmagnet ausgebildet sein. Dadurch ist ermöglicht, dass keine
elektrische Energie zwischen dem Rotor und einem feststehenden Element übertragen werden muss. Daher sind die Antriebswicklung und die Hilfewicklung vorteilhafterweise an dem Stator angebracht. Allerdings ist, wie zuvor beschrieben, ebenso möglich, die Antriebswicklung und die Hilfewicklung auch an dem Rotor anzubringen, wenn eine entsprechende Energieübertragung, beispielsweise durch Schleifringe, gewährleistet ist. Unter der Hilfewicklung ist im Rahmen dieser Erfindung eine Spule oder eine Verschaltung von mehreren Spulen zu verstehen, an der bzw. an denen eine Spannung messbar ist.
Bei einem 3-Phasensystem sind vorteilhafterweise zwei Spulen pro Phase, d.h. pro Antriebswicklung, vorhanden. In diesem Fall sind benachbarte Spulen bevorzugt 60° zueinander versetzt, Spulen, die zu der gleichen Phase/Wicklung gehören sind dann um 180° versetzt. Bei nur einer Spule pro Phase/Wicklung ist der Abstand zwischen den Spulen: 120° (aber jede Spule gehört zu einer anderen Phase/Wicklung). Somit lässt sich ein gleichmäßiges Drehfeld erzeugen, das zum Antrieb des Rotors dient. Ist die Hilfswicklung analog zu der Antriebswicklung gewickelt, so ist dadurch außerdem ein hinreichend genaues Bestimmen oder Abschätzen einer aktuellen Rotorlage ermöglicht.
Grundsätzlich ist es auch möglich, dass lediglich zwei Antriebswicklungen und damit lediglich zwei Phasen vorhanden sind oder auch mehr als drei
Antriebswicklungen und damit mehr als drei Phasen.
Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
Bevorzugt ist die Hilfewicklung galvanisch von der Antriebswicklung getrennt. Somit ist ein gegenseitiges Beeinflussen von Antriebswicklung und Hilfewicklung verhindert oder zumindest erschwert. Dies ermöglicht insbesondere eine
Trennung der Aufgaben von Hilfswicklung und Antriebswicklung, wie zuvor beschrieben, umzusetzen. Somit dient die Antriebswicklung ausschließlich zum Antreiben des Rotors, während mittels der Hilfswicklung eine Rotorlage abgeschätzt bzw. bestimmt werden kann. Daher können die hohen Ströme, die üblicherweise innerhalb der Antriebswicklung fließen, nicht zu Störgrößen führen, die die Schätzung bzw. Bestimmung negativ beeinflussen.
Bevorzugt sind wenigstens zwei Hilfswicklungen am Stator vorgesehen. Diese Hilfewicklungen sind insbesondere unabhängig voneinander und erlauben somit das Bestimmen der induzierten Spannung an zwei unterschiedlichen Positionen des Stators unabhängig voneinander. Die Hilfswicklungen erlauben somit eine verbesserte Abschätzung bzw. Bestimmung der aktuellen Rotorlage. Es ist vorgesehen, dass zwei zueinander benachbarte Hilfewicklungen in
Umfangsrichtung betrachtet bevorzugt um wenigstens 5° oder um wenigstens 15° voneinander beabstandet sind. Somit lässt sich insbesondere ein Raster an Hilfswicklungen bilden, dass ein feines Abtasten von induzierten Spannungen ermöglicht. Dadurch ist ein genaues Abschätzen bzw. Bestimmen der Rotorlage anhand der induzierten Spannung ermöglicht. Zum Auswerten der gemessenen induzierten Spannungen werden vorteilhafterweise mehrere Hilfewicklungen an unterschiedlichen Positionen zusammengeschaltet. Außerdem ist es vorteilhaft für jede Phasenwicklung eine oder mehrere Htlfewicklungen räumlich über den Umfang des Stators zu verteilen. Insbesondere lassen sich einzelne Paare von Hilfswicklungen bilden, wobei beispielsweise ein erstes Paar bezüglich einer Mittelachse des Elektromotors bei 0° und 180°, ein zweites Paar bei 60° und 240 und ein drittes Paar bei 120° und 300° angebracht ist. Somit sind die Paare von Hilfswicklungen gleichmäßig über den Stator oder Rotor verteilt und erlauben somit ein zuverlässiges Erfassen von induzierten Spannungen und ein daraus resultierendes zuverlässiges Abschätzen bzw. Bestimmen einer Rotorlage. Sind zumindest drei Hilfswicklungen vorhanden, kann die Auswertung der
gemessenen Spannungen z.B. mit Hilfe der Clarke-Transformation ausgeführt werden.
Vorteilhafterweise ist der Elektromotor derart ausgebildet, dass der Rotor ausschließlich durch die Antriebswicklung angetrieben wird. Dies bedeutet, dass lediglich durch die Antriebswicklung ein elektrischer Strom fließen muss. Durch die Hilfswicklung muss kein elektrischer Strom fließen. Vielmehr ist
vorteilhafterweise vorgesehen, dass kein elektrischer Strom oder nur ein minimaler elektrischer Strom durch die Hilfswicklung fließt (z.B. beim
hochohmigen Abgreifen bzw. Messen der induzierten Spannung), um negative Störeinflüsse eines Stromflusses durch die Hilfswicklung zu vermeiden. Somit wird wiederum die bereits beschriebene Trennung der Aufgaben der einzelnen Wicklungen erreicht. Die zumindest eine Hilfswicklung dient zum reinen Messen einer induzierten Spannung und einem Abschätzen bzw. Bestimmen der Rotoriage, basierend auf der gemessenen Spannung, während die
Antriebswicklung allein zum Antreiben des Elektromotors, insbesondere des Rotors, dient. Innerhalb der Antriebswicklung auftretende hohe Ströme haben daher keinen oder nahezu keinen Einfluss auf die Abschätzung bzw.
Bestimmung der aktuellen Rotorlage.
Der Grund körper weist vorteilhafterweise mehrere Zahnelemente auf. Die Zahnelemente können z.B. jeweils eine Spule der Antriebswicklung aufnehmen. Beispielsweise nehmen alle Zahnelemente zusammen die gesamte
Antriebswicklung auf. Außerdem umfasst der Grundkörper ein Jochelement. Das Jochelement dient zum ringförmigen Verbinden der Zahnelemente. Es ist auch möglich, dass die Antriebswicklung zumindest teilweise auf dem Jochelement angeordnet ist. Jede Hilfswicklung ist entweder an dem Zahnelement oder an dem Jochelement angeordnet. Somit lassen sich optimale Messergebnisse erzielen. Es ist insbesondere vorgesehen, dass sich die Zähne in einer radialen Richtung erstrecken, während das Jochelement in Umlaufrichtung verläuft. Die
Radialrichtung und die Umlaufrichtung werden insbesondere basierend auf einer Mitelachse des Elektromotors bestimmt. Die Mitelachse des Elektromotors Ist insbesondere eine Mitelachse des Rotors und somit eine Achse, um die sich der Rotor dreht. Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Hilfswicklung an dem Zahnelement und/oder an dem Jochelement angebracht ist. Hilfswicklungen können sich insbesondere auch an mehreren Zahnelementen und/oder an mehreren Stellen an dem Jochelement befinden. Die genaue Ausgestaltung der Anbringung der zumindest einen Hilfswicklung ist abhängig von einer konkreten Aufbausituation des Elektromotors und von Anforderungen hinsichtlich der Genauigkeit der Schätzung der aktuellen Rotoriage.
Besonders vorteilhaft befinden sich alle Hilfewicklungen entweder an dem Zahnelement oder an dem Jochelement. Bei einer Anbringung an dem
Jochelement ist bei Einzelzahnwicklung genügend Platz für die Hilfewicklung vorhanden und thermisch vorteilhaft, da Spulen sehr heiß werden können.
Außerdem ist diese Anbringung selbst bei verteilter Wicklung sehr einfach realisierbar, da keine Überlagerung der Hilfewicklung und Antriebswicklung im Bereich des Wickelkopfes auftritt. Bei einer Anbringung an dem Zahnelement ist die Konstruktion des Jochelements einfacher, da keine Aussparung nötig ist.
Eine solche Aussparung ist zur Aufnahme der Wicklung vorteilhaft, da radiale Überstände über den Außendurchmesser des Jochelements wegen der Montage in ein Motorgehäuse bevorzugt vermieden werden sollen. Außerdem ergibt sich eine einfachere Verbindung der Hilfespulen zu einer Elektronik.
Die zumindest eine Hilfewicklung ist bevorzugt an einer gleichen Stelle wie zumindest ein Teil der zumindest einen Antriebswicklung an dem Grundkörper angebracht. Die Hilfewicklung ist besonders vorteilhaft über der Antriebswicklung angebracht. Die Antriebswicklung ist vorteilhafterweise an den Zahnelementen wie zuvor beschrieben angebracht. Somit ist die Hilfewicklung vorteilhafterweise ebenfalls an den Zahnelementen angebracht, wobei die Hilfswicklung auf die Antriebswicklung aufgewickelt ist. Dies bedeutet, dass das Zahnelement zunächst mit der Antriebswicklung bewickelt wird, anschließend wird die
Antriebswicklung mit der Hilfswicklung bewickelt. Somit befindet sich die
Hilfewicklung oberhalb der Antriebswicklung, wodurch die Hilfewicklung nicht durch die Antriebswicklung abgeschirmt wird. Die Hilfswicklung kann somit sicher und zuverlässig eine induzierte Spannung messen, ohne von der
Antriebswicklung gestört zu werden.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass ein Leitungsquerschnitt der Hilfswicklung kleiner als ein Leitungsquerschnitt der Antriebswicklung ist. Unter Leitungsquerschnitt ist derjenige Querschnitt zu verstehen, den ein Draht aufweist, der zur Erzeugung der Antriebswicklung oder der Hilfswicklung gewickelt wurde. Dies bedeutet, dass für die Hilfswicklung ein Draht mit einem geringeren Querschnitt als für die Antriebswicklung verwendet werden kann. Dies ist deshalb möglich, da die
Hilfswicklung nicht von großen Strömen durchflossen wird, wie dies bei der Antriebswicklung der Fall ist. Insbesondere ist vorgesehen, dass die
Hilfswicklung von keinem Strom oder nur von einem minimalen,
vernachlässigbaren, Strom durchflossen wird {z.B, bei einem hochohmigen Abgreifen der induzierten Spannung, z.B. kann dabei ein Widerstand beim Abgreifen der Spannung ein Mega-Ohm überschreiten). Somit ist ermöglicht, dass der Leitungsquerschnitt der Hilfswicklung kleiner als der Leitungsquerschnitt der Antriebswicklung ist. Besonders bevorzugt ist der Leitungsquerschnitt der Hilfswicklung maximal halb so groß wie der Leitungsquerschnitt der
Antriebswicklung. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Leitungsquerschnitt der Hilfswicklung maximal 20% oder maximal 3% oder sogar maximal 1% des Leitungsquerschnitts der
Antriebswicklung beträgt. Dadurch können Kosten und Gewicht gespart werden, da ein wesentlich dünnerer Draht ausreichend ist, um die Hilfswicklung
auszuführen und dennoch ein ausreichend gutes Signal-Rausch-Verhältnis der induzierten Spannung zu erzielen.
Beispielsweise beträgt der Querschnitt der Hilfswicklung maximal 0,5mm2, z.B. 0,14mm2. Die Antriebswicklung kann dabei z.B. einen Querschnitt zwischen 1 mm2 und 100mm2, z.B. zwischenlOmm2 und 40mm2, z.B. 14mm2 aufweisen.
Eine Windungszahl der Hilfswicklung ist vorteilhafterweise größer als eine Windungszahl der Antriebswicklung. Besonders bevorzugt bezieht sich dies auf eine Stelle, an der Antriebswicklung und Hilfswicklung gleichzeitig vorhanden sind. So ist vorteilhafterweise an einem Zahnelement eine vordefinierte
Windungszahl der Antriebswicklung vorhanden, wobei zusätzlich eine weitere vordefinierte Windungsanzahl der Hilfswicklung vorhanden ist, wobei die
Windungszahl der Hilfswicklung größer oder gleich ist wie die Windungszahl der Antriebswicklung an dem Zahnelement, Insbesondere ist die Windungszahl der Hilfswicklung wenigstens um den Faktor 5 größer als die Windungszahl der Antriebswicklung, Besonders vorteilhaft ist die Windungszahl der Hilfewicklung wenigstens um den Faktor 10 größer als die Windungszahl der Antriebswicklung. Auf diese Weise lässt sich eine - gerade bei geringer Drehzahl mit einer geringen induzierten Spannung pro Windung der Hilfewicklung - induzierte Spannung in der Hilfewicklung vergrößern so dass ein ausreichend großes SignaFRausch-Verhältnis erzielt wird. Im Vergleich zu einer Messung der induzierten Spannung nur an der Antriebswicklung führt dies zu einer höheren induzierten Spannung und somit dazu, dass die Rotorlage auch bei sehr geringen Drehzahlen des Elektromotors sicher und zuverlässig abgeschätzt werden kann.
Insbesondere ist somit ermöglicht, zusammen mit dem zuvor beschriebenen verringerten Leitungsquerschnitt der Hilfswicklung, verglichen mit der
Antriebswicklung, mittels der Hilfewicklung dasselbe Volumen wie die
Antriebswicklung einzunehmen, wobei hierzu mehr Windungen als bei der Antriebswicklung verwendet werden können mit einem entsprechenden höheren Wert der induzierten Spannung.
Die Erfindung betrifft außerdem ein System, umfassend einen Elektromotor, wie zuvor beschrieben, und ein Steuergerät. Das Steuergerät ist zur Ermittlung einer Lage des Rotors anhand einer in der Hiifewicklung des Elektromotors induzierten Spannung ausgelegt. Da, wie zuvor beschrieben, die Hilfewicklung einen größeren Signal-Rausch-Abstand ermöglicht als bei Messung mittels der Antriebswicklung, kann das Steuergerät somit optimal eine Rotorlage des Elektromotors abschätzen. Somit ist ein verbessertes Ansteuem einer
Kommutierung des Elektromotors ermöglicht. Dies gilt insbesondere für niedrige Drehzahlbereiche, bei denen eine Messung der induzierten Spannung anhand der Antriebswicklung einen sehr geringen Signal-Rausch-Abstand aufweist.
Vorteilhafterweise ist das Steuergerät ausgebildet, während eines Messens einer in der Hilfswicklung induzierten Spannung die Antriebswicklung zumindest teilweise stromlos zu schalten. Dadurch werden seitens der Antriebswicklung keine Störeinflüsse auf die Hilfewicklung ausgeübt. Es kann somit eine hochwertige Messung der induzierten Spannung vorgenommen werden. ln einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Spannungsmessvorrichtung zum Messen einer elektrischen Spannung an der Hilfswicklung vorhanden bzw. vorgesehen ist, Die Spannungsmessvorrichtung kann insbesondere Teil des Steuergeräts sein. Die Spannungsmessvorrichtung ist insbesondere hochohmig (z.B. größer als 500 Kilo-Ohm oder größer als ein Mega-Ohm oder größer als 10 Mega-Ohm) ausgebildet, wodurch ein in der Hilfswicklung fließender elektrischer Strom minimiert ist. Die Hilfswicklung ist vorteilhaftenweise zum Messen der induzierten Spannung vorgesehen. Daher ist jeglicher Stromfluss innerhalb der Hilfswicklung unerwünscht. Somit ist bevorzugt lediglich die Spannungsmessvorrichtung mit der Hilfswicklung gekoppelt, wodurch ein hoher elektrischer Widerstand an die Hilfswicklung angeschlossen ist. Dies führt dazu, dass beim Messen der induzierten Spannung nur ein sehr geringer Ström fließen kann. Somit sind negative Auswirkungen auf die
Hilfswicklung und die Messung der induzierten Spannung mittels der
Hilfewicklung minimiert oder sogar ausgeschlossen.
Das Steuergerät ist vorteilhafterweise eingerichtet, anhand eines Vergleichs einer in der Hilfswicklung induzierten Spannung und einer an der nicht stromlos geschalteten Antriebswicklung messbaren Spannung eine Temperatur innerhalb des Elektromotors zu ermitteln. So ist an der Hilfswicklung lediglich die induzierte Spannung messbar. An der Antriebswicklung hingegen ist eine Spannung messbar, die aus der induzierten Spannung durch das Rotormagnetfeld, des induktiven Spannungsabfalls durch Selbstinduktivität und Koppelinduktivität und dem ohmschen Spannungsabfall über dem Spulenwiderstand resultiert. Der Spulenwiderstand ist der elektrische Widerstand der entsprechenden Phase der Antriebswicklung und somit abhängig von einer Temperatur. Da der Anteil der induzierten Spannung durch das Rotormagnetfeld aufgrund der Hilfewicklung bekannt ist und die übrigen Anteile der induzierten Spannung aufwandsarm ermittelbar oder zumindest abschätzbar sind, kann aus der an der
Antriebswicklung gemessenen Spannung der zuvor beschriebene ohmsche Spannungsabfall extrahiert werden. Der durch die Antriebswicklung fließende Strom kann ebenfalls einfach und aufwandsarm ermittelt werden, so dass sich der elektrische Widerstand, den die entsprechende Phase der Antriebswicklung aktuell aufweist, ermittelt werden kann. Dies ermöglicht einen Rückschluss auf eine aktuelle Temperatur der Antriebswicklung und damit eine Temperatur innerhalb des Elektromotors. Das Steuergerät ist vorteilhafterweise außerdem dazu ausgebildet, den
Elektromotor anzutreiben. Hierzu steuert das Steuergerät z.B. ausschließlich die Antriebswicklung an, um ein Drehfeld zu erzeugen, durch das der Rotor des
Elektromotors rotiert wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung zeigt;
Figur 1 schematisch einen Elektromotor gemäß einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Ausführungsform der Erfindung
Figur 1 zeigt schematisch einen Elektromotor 1 gemäß einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Elektromotor 1 umfasst einen Rotor 2 und einen Stator 3. Für den Elektromotor 1 ist eine Mittelachse 100 definiert, wobei bezüglich dieser Mittelachse 100 eine Umlaufrichtung UM und eine Radialrichtung R vorhanden ist. Der Rotor 2 weist insbesondere mehrere Permanentmagnete auf. Der Stator 3 weist mehrere Antriebswicklungen 5 auf, wobei durch die Antriebswicklungen 5 im dargestellten Ausführungsbeispiel drei Phasen gebildet sind (grundsätzlich sind auch nur zwei Phasen oder auch mehr als drei Phasen möglich). Jede Antriebswickiung 5 umfasst wiederum zwei Spulen 12a, 12b, 12c.
So weist eine Antriebswicklung 5 ein Paar von ersten Spulen 12a auf, eine weitere Antriebswickiung 5 weist ein Paar von zweiten Spulen 12b auf, und wiederum eine weitere Antriebswickiung 5 weist ein Paar von dritten Spulen 12c auf. Die einzelnen Spulen 12a, 12b, 12c sind jeweils um 60° in Umlaufrichtung UM betrachtet versetzt an dem Stator 3 angebracht. Der Stator 3 weist dazu eine Vielzahl von Zahnelementen 8 auf, die sich in Radialrichtung R erstrecken. Über ein in Umlaufrichtung UM verlaufendes Jochelement 9 sind ein magnetischer Rückschluss sowie eine mechanische Verbindung der einzelnen Zähne 8 erreicht. Das Jochelement 9 und die Zähne 8 bilden zusammen einen
Grundkörper 4 des Stators 3. ' Der Elektromotor 1 ist Teil eines Systems 13 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das System 13 umfasst weiterhin ein Steuergerät 10, wobei das Steuergerät 10 einerseits zum Abschätzen bzw. Bestimmen einer Rotorlage des Rotors 2 und zum Ansteuem der einzelnen Phasen der Antriebswicklung 5 vorgesehen ist. Hierzu ist das Steuergerät 10 mit einer Leistungselektronik 11 verbunden. Die Leistungselektronik 1 1 dient zum Ansteuern der einzelnen Phasen der Antriebswicklung 5. Die Kommutierung erfolgt hier beispielhaft sensorlos, d.h. ohne Informationen eines Positionssensors, der eine aktuelle Rotorlage des Rotors 2 bestimmt. Vielmehr wird eine Rotorlage des Rotors 2 anhand einer von dem Rotor 2 induzierten Spannung ermittelt.
Hierzu ist vorgesehen, dass zumindest eine Hilfswicklung 6 an dem Grundkörper 4 des Stators 3 angebracht ist. In Figur 1 sind zwei Hilfswicklungen 6 gezeigt, wobei jede Hilfswicklung 6 mit einer Spannungsmessvorrichtung 7 gekoppelt ist, die eine induzierte Spannung an der Hilfswicklung 6 ermittelt. Die
Spannungsmessvorrichtung 7 ist wiederum zur Signalübertragung mit dem Steuergerät 10 gekoppelt, so dass dem Steuergerät 10 eine induzierte Spannung zur Verfügung steht. Basierend auf dieser von dem Rotor 2 in den
Hilfswicklungen 6 induzierten Spannung lässt sich eine aktuelle Rotorlage des Rotors 2 abschätzen.
In Figur 1 ist beispielhaft gezeigt, dass jede Hilfswicklung 6 entweder über die Antriebswicklung 5 gewickelt ist oder alternativ an dem Jochelement 9 zwischen zwei Zähnen 8 vorhanden ist. Bevorzugt ist vorgesehen, dass je eine
Hilfswicklung 6 an jedem Zahnelement 8 des Grundkörpers 4 des Stators 3 angebracht ist und/oder an dem Jochelement 9 zwischen jedem Zahnelement 8 des Grundkörpers 4 des Stators 3. Ist eine Hilfswicklung 6 an dem Zahnelement 8 angebracht, so ist diese Hilfswicklung 6 bevorzugt oberhalb der
Antriebswicklung 5 an diesem Zahnelement 8 angeordnet Dies bedeutet, dass das Zahnelement 8 zunächst mit der Antriebswickiung 5 bewickelt wird, anschließend mit der Hilfswicklung 6. Somit kann die Antriebswicklung 5 die Hilfswicklung 6 nicht abschirmen und/oder bedecken, was zu einer negativen Beeinflussung der Hilfswicklung 6 führen würde. Besonders vorteilhaft befindet sich die Hiifswicklung 6 entweder an dem Zahnelement 8 oder an dem
Jochelement 9. lm Folgenden wird beispielhaft beschrieben, wie mittels der Hilfswicklungen 6, die an den Zahnelementen 8 vorhanden sind, eine Abschätzung der Rotorlage des Rotors 2 erfolgen kann. Für den Fall, dass Hilfsspulen 6 um das
Jochelement gewickelt sind, ist lediglich eine entsprechende
Phasenverschiebung zu berücksichtigen.
In einer ersten Alternative ist ermöglicht, eine Spannung an der Hilfswicklung 6 zu messen. Hierzu wird ein Verfahren angewandt, das einem bekannten
Verfahren aus dem Stand der Technik sehr ähnlich ist. Der Unterschied ist, dass im Stand der Technik stets die Antriebswicklung 5 selbst zum Messen der induzierten Spannung verwendet wurde. Dieses bekannte Verfahren wird nachfolgend kurz skizziert:
Die Spannung wird von der Klemme des Elektromotors 1 zum Sternpunkt gemessen. Dazu muss der Sternpunkt des Elektromotors 1 entweder nach außen geführt oder mittels eines Widerstandsnetzwerkes in dem Steuergerät 10 nachgebildet werden.
Geht man davon aus, dass - ohne Beschränkung der Allgemeinheit - Phase U stromlos geschaltet worden ist, so entspricht die Spannung zwischen Klemme U und dem Stempunkt des Elektromotors 1 genau der Spannung, die durch das Permanentmagnetfeld in der Wicklung U induziert wird. Die Einflüsse der Ströme in den Phasen V und W auf diese Spannung löschen sich aufgrund von
Symmetrieeigenschaften des Elektromotors 1 gegenseitig aus. Es gilt
Figure imgf000015_0001
wobei Yrh den Permanentmagnetfluss, w die Drehgeschwindigkeit des
Elektromotors 1 und f den zu bestimmenden Winkel bezeichnet. Indem man den Nulldurchgang der Spannung Uu delektiert, lässt sich zweimal pro Umdrehung der Rotorwinkel f bestimmen, nämlich bei 0“ und 180°. Voraussetzung ist, dass das Signal Uu eine ausreichende Amplitude hat bzw. dass die Drehzahl ausreichend hoch ist - wie man an obiger Formel sehen kann. Entsprechend geht man mit den anderen Phasen vor und kann so 6-mal pro Umdrehung den Winkel aus der gemessenen Spannung bestimmen. Dazwischen interpoliert man z.B. im einfachsten Fall anhand der aktuellen Drehzahl. Um die entsprechende Phase zur Detektion des Nulldurchganges stromlos zu schalten gibt es u.a. die folgenden Möglichkeiten: (a) bei Sinusansteuerung des Elektromotors 1 pridiziert man den Zeitpunkt des nächsten Nulldurchganges und schaltet kurz vorher die Phase aus; (b) bei 120° Biockkommutierung ist ganz natürlich jede Phase für einen Teil der Motorumdrehung stromlos.
Bei Verwendung der über die Antriebswickiungen 5 gewickelten Hilfswicklung 6 kann man völlig analog vorgehen. Dazu wird die Hilfswicklung 6 ebenfalls zu einem Stern punkt verschaltet. Es ergeben sich folgende Vorteile:
• Die Hilfswicklung 6 ist nicht mit der Leistungselektronik 11 verbunden. Es wird daher eine höhere Signalqualität bzw. weniger Störungen erwartet.
• Die Enden der Hilfswicklung 6 werden außerhalb des Elektromotors 1 bzw. in dem Steuergerät 10 zu einem Sternpunkt verschaltet. Das ist deutlich einfacher als den Sternpunkt des Elektromotors 1 nach außen zu führen oder den Sternpunkt durch ein Widerstandsnetzwerk nachzubilden.
• Um die Motordrehzahl, ab der eine zuverlässige Bestimmung des Winkels möglich ist, abzusenken, kann die Hilfewicklung 6 eine um Faktor N höhere Anzahl von Windungen pro Zahnelement 8 gegenüber der Antriebswicklung 5 erhalten. Damit wird die Spannung bei gleicher Drehzahl ebenfalls um Faktor N höher.
Alternativ kann die Abschätzung bzw. Bestimmung der Rotorlage des Rotors 2 auch basierend auf einer Berechnung der induzierten Spannung durchgeführt werden.
Auch hier wird zunächst das aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren unter Verwendung der Antriebswicklung 5 dargestellt und anschließend die mit der Hilfswicklung 6 auftretenden Unterschiede bzw. Vorteile aufgezeigt.
Aus den Differentialgleichungen einer Synchronmaschine lässt sich durch Integration folgende Gleichung für den Vektor des Permanentmagnetflusses herleiten:
Figure imgf000016_0001
wobei ti5 die anliegende Spannung, f der Phasenstrom, Rs der Strangwiderstand und Ls die Induktivitätsmatrix bezeichnen. Diese Gleichung kann online ausgewertet werden, und aus der Richtung des Vektors
Figure imgf000017_0001
ergibt sich schließlich der gesuchte Winkel des Rotors 2.
Diese Vorgehensweise kann in ähnlicher Weise mit der Hilfswicklung 6 angewandt werden. Die Spannung ist die an der Hilfswicklung 6 gemessene. Der Term, welcher den Spannungsabfall am Widerstand beschreibt, entfällt jedoch, weil in der Hilfewicklung 6 kein oder ein vernachlässigbar kleiner Strom fließt
(hochohmiger Spannungsabgriff). Der letzte Term in der obigen Gleichung bleibt bestehen. Die Induktivitätsmatrix enthält jetzt allerdings die Koppelinduktivitäten, weiche den Einfluss des Stromes in der jeweiligen Antriebswicklung auf die Spannung in der Hilfswicklung 6 beschreiben.
Der Hauptvorteil bei Verwendung der Hiifswickiung 6 besteht hier im Entfall des Terms für den ohmschen Spannungsabfall, da der Parameter Rs mit der Temperatur sowie ggf. der Frequenz bzw, der Drehzahl des Elektromotors 1 variiert und damit Unsicherheiten enthält, die die Qualität der Winkeiberechnung beeinträchtigen können.
Ebenso ist ermöglicht, durch eine Messung, die sowohl an der Hilfswicklung 6 als auch an der Antriebswicklung 5 durchgeführt wird, den Term für den ohmschen Spannungsabfall zu isolieren, um somit den Parameter R$z u ermitteln. Daraus lässt sich vorteilhafterweise eine Temperatur der Antriebswicklung 5 ableiten, was auf einfache Art und Weise die Umsetzung eines Temperatursensors des Elektromotors 1 ermöglicht.
Der Elektromotor 1 ist beispielhaft mit einer Drehzahlregelung ausgestattet, wobei eine Drehzahl z.B. im Bereich von 106 rpm (Umdrehungen pro Minute) liegen kann. Ein maximaler effektiver Phasenstrom beträgt mehrere hundert Ampere. Durch die Aufteilung in zwei parallele Spulen 12 pro Phase ergibt sich ein Strom beispielsweise zwischen 100 A und 200 A durch jede einzelne Spule 12.
Die Antriebswicklung 5 umfasst bevorzugt einen Leiter mit einer
Querschnittsfläche zwischen 1mm2 und 100mm2, z.B. zwischenlOmm2 und 40mm2, z.B. 14mm2. Beispielsweise ist auch ein Litzendraht mit 10 mm2 Querschnittsfläche verwendbar, Eine Windungszahi pro Zahnelement 8 beträgt 10. Dahingehend beträgt ein Querschnit des Leiters der Hilfsspule z.B, lediglich maximal 1 ,0mm2 oder maximal 0,5mm2, z.B, 0,14mm2,
Die Hilfswicklung 6 ist vorteilhafterweise hochohmig ausgebildet und erlaubt keinen oder nur einen minimalen Stromfluss. Die Windungszahl der Hilfswicklung 6 ist z.B. größer oder gleich der Windungszahl der Antriebswicklung 5 pro Zahnelement 8. Beispielsweise können 10 Windungen bei der Antriebswicklung 5 und ebenfalls 10 Windungen für die Hilfswicklung 6 vorgesehen sein. Es können jedoch z.B. auch bei 10 Windungen der Antriebswicklung 5 wenigstens 20 Windungen der Hilfewicklung 6 oder wenigstens 50 Windungen oder sogar wenigstens 100 Windungen der Hilfewicklung 6 vorgesehen sein. Als Leiter für die Hilfswicklung 6 kann z.B. Kupferdrahtlack verwendet werden.
Die Hilfswicklung 6 ist vorteilhafterweise von der Antriebswicklung 5 galvanisch getrennt. Insbesondere ist somit erreicht, dass Störgrößen der Antriebswicklung 5 eine Messung der induzierten Spannung mittels der Hilfswicklung 6 nicht beeinflussen. Des Weiteren ist in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass die Hilfewicklungen 6 allesamt einen Abstand von 60° aufweisen. Es ist vorgesehen, dass in Umlaufrichtung UM zumindest ein Abstand von wenigstens 5° oder wenigstens 15“ besteht.
In Figur 1 ist außerdem gezeigt, dass eine strikte Aufgabentrennung zwischen Hilfswicklung 6 und Antriebswicklung 5 besteht. So ist die Antriebswicklung 5 mit der Leistungselektronik 1 1 verbunden, während die Hilfewicklung 6 mit der
Spannungsmessvorrichtung 7 verbunden ist. Ein Antrieb des Elektromotors 1 über die Hilfswicklungen 6 ist nicht vorgesehen. Ebenso ist im dargestellten Ausführungsbeispiel auch eine Messung der induzierten Spannung über die Antriebswicklung 5 nicht vorgesehen.
Grundsätzlich kann - wie oben beschrieben - die Abschätzung bzw. Bestimmung der Rotorlage jedoch auch durch die Erfassung bzw. Messung der induzierten Spannungen an der Hilfswicklung 6 und an der Antriebswicklung 5 erfolgen.

Claims

Ansprüche
1. Elektromotor (1), insbesondere elektronisch kommutierter Motor,
umfassend einen Rotor (2) und einen Stator (3),
wobei der Rotor (2) und/oder Stator (3) einen Grundkörper (4) aufweist, der mit zumindest einer Antriebswicklung (5) zum Antreiben des Rotors (2) versehen ist,
wobei der Rotor (2) und/oder Stator (3) neben der Antriebswicklung (5) zumindest eine von der Antriebswicklung (5) unabhängige Hilfswicklung (6) aufweist, und
wobei die Hilfswicklung (6) zur Messung einer induzierten Spannung vorgesehen ist.
2. Elektromotor (1 ) nach Anspruch 1 , wobei die Hilfswicklung (6) galvanisch von der Antriebswicklung (5) getrennt ist.
3. Elektromotor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
wenigstens zwei Hilfswicklungen (6) am Stator (3) vorgesehen sind, und wobei zueinander benachbarte Hilfswicklungen (6) in Umlaufrichtung betrachtet um wenigstens 5° oder um wenigstens 15° voneinander beabstandet sind.
4. Elektromotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rotor ausschließlich durch die Antriebswicklung (5) angetrieben wird.
5. Elektromotor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (4) mehrere Zahnelemente (8) zur Aufnahme der Antriebswicklung (5) und ein Jochelement (9) zum
ringförmigen Verbinden der Zahnelemente (8) aufweist, wobei jede Hilfswicklung (6) entweder an dem Zahnelement (8) oder an dem
Jochelement (9) angebracht ist.
6. Elektromotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich alle Hilfswicklungen (6) entweder an dem Zahnelement (8) oder an dem Jochelement (9) befinden.
7. Elektromotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfswicklung (6) an einer gleichen Stelle wie zumindest ein Teil der Antriebswicklung (5) an dem Grundkörper (4) angebracht ist, wobei die Hilfswicklung (6) insbesondere über der
Antriebswicklung (5) angebracht ist.
8. Elektromotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leitungsquerschnitt der Hilfswicklung (6) kleiner als ein Leitungsquerschnitt der Antriebswicklung (5) ist, wobei bevorzugt der Leitungsquerschnitt der Hilfswicklung (6) maximal 50 %, insbesondere maximal 20 % oder maximal 3% des Leitungsquerschnitts der
Antriebswicklung (5) beträgt.
9. Elektromotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Windungszahl der Hilfswicklung (6) größer oder gleich ist wie eine Windungszahl der Antriebswicklung (5)
oder
wobei die Windungszahl der Hilfswicklung (6) wenigstens um den Faktor 5 größer ist als die Windungszahl der Antriebswicklung (5)
oder
wobei die Windungszahl der Hilfswicklung (6) wenigstens um den Faktor 10 größer ist als die Windungszahl der Antriebswicklung (5).
10. System (13) umfassend einen Elektromotor (1) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche und ein Steuergerät (10) zum Ermitteln einer Lage des Rotors (2) anhand einer in der Hilfswicklung (6) des
Elektromotors (1) induzierten elektrischen Spannung.
1 1. System (13) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das
Steuergerät (10) ausgebildet ist, während eines Messens einer in der Hilfswicklung (6) induzierten Spannung die Antriebswicklung (5) zumindest teilweise stromlos zu schalten.
12. System (13} nach Anspruch 10 oder 11 , gekennzeichnet durch eine Spannungsmessvorrichtung (7) zum Messen einer elektrischen Spannung an der Hilfswicklung (6), wobei die Spannungsmessvorrichtung (7)
insbesondere hochohmig ausgebildet ist.
13. System (13) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, dass das Steuergerät (10) eingerichtet ist, anhand eines Vergleichs einer in der Hilfswicklung (5) induzierten Spannung und einer an der nicht stromlos geschalteten Antriebswicklung (6) messbaren Spannung, eine Temperatur innerhalb des Elektromotors (1) zu ermitteln.
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