WO2022228624A1 - Verfahren zum anlaufen eines rotors eines klauenpolmotors - Google Patents

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Sören Rebel
Tobias Roth
Thomas Peterreins
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Bühler Motor GmbH
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    • H02K1/243—Rotor cores with salient poles ; Variable reluctance rotors of the claw-pole type
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    • H02P6/182—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements using back-emf in windings

Definitions

  • the invention relates to a method for starting a rotor of a single-phase claw-pole motor according to the subject matter of patent claim 1.
  • Pumps can be used, for example, in motor vehicles for pumping and transporting liquids, such as coolant.
  • Such pumps are usually operated by means of an electric drive which is operatively connected to the rotor of the pump.
  • Single-phase claw-pole motors which have a permanently excited rotor and an electronically commutated stator, can be used as the electrical drive.
  • a Hall sensor is used to determine the relative rotor position, which is necessary to commutate the current in the stator winding to result in rotational movement of the rotor.
  • the object of the invention is to prevent a rotor of a pump from starting up incorrectly, in particular in the case of a single-phase claw-pole motor. This object is achieved by the method according to patent claim 1.
  • the method according to the invention according to claim 1 is provided for starting a rotor of a single-phase claw-pole motor, the claw-pole motor comprising a permanently excited rotor which, in nominal operation, moves in one direction, an electronically commutated stator and a hall sensor for determining the relative rotor position.
  • the procedure includes the following steps: a. Generating a pulse to move the rotor in the opposite direction by energizing a stator winding based on an inverted Hall sensor signal and b.
  • the rotor is started to move in the running direction by energizing a stator winding based on a Hall sensor signal.
  • the rotor of a pump can be locked at any number of points, preferably 8 points, by detents when it is not energized.
  • the pump electronics start the pump taking into account the signals from a Hall sensor attached to the stator.
  • the rotor position before start-up is defined by the cogging torque (defined by the magnetic circuit), friction and external torques (e.g. due to hydraulic circuit overcurrent).
  • the pump rotor When starting from the rest position (locked position), the pump rotor must overcome the short motor counter-torque during the first commutation in the direction of rotation, i.e. sufficient rotational energy must be generated. If this is not successful, the direction is reversed and the rotor starts up incorrectly. Furthermore, the commutation point in time can be shifted (e.g.
  • the rotor By means of a short impulse in the opposite direction to the running direction, the rotor is given more time and (starting) distance to gain enough momentum and thus overcome the counter-torque. It can preferably be provided that in the event that during or immediately after the generation of a pulse to move the rotor in the opposite direction of travel for a predetermined period of time, the start-up is interrupted and a new pulse to move the rotor in the opposite direction of travel for a predetermined duration takes place.
  • stator field and the stray field of the stator are superimposed at the Hall sensor position. If the rotor is offset from the nominal position so much before start-up that the rotor magnetic field at the Hall sensor is very weak, the stator stray field can unduly disturb the rotor magnetic field, so that the Hall sensor signal is directly inverted during the generation of the pulse, resulting in incorrect commutation leads.
  • the rotor starts up without generating a pulse. This could be useful, for example, in the case of overcoming a blockage of the pump, in which the start-up takes place without generating an impulse to move the rotor in the opposite direction of rotation.
  • the predetermined period of time is ascertained or determined as a function of a supply voltage of the single-phase claw-pole motor.
  • the predetermined time period is ascertained or determined as a function of the supply voltage of the single-phase claw-pole motor.
  • This advantageously decouples the energy input in the winding and the effective effect of preventing or reducing the False starts depending on the supply voltage.
  • stator winding is preferably energized by commutation of power electronics.
  • components are components commonly used in the prior art, such as MOSFETs or IGBTs.
  • the predetermined period of time is selected such that the movement of the rotor in the opposite direction causes it to accelerate more than it decelerates during the subsequent start-up in order to overcome a counter-torque at a first commutation point in time in order to ensure movement in the direction of travel.
  • a false start is preferably prevented.
  • At least one impulse can be applied to ensure a correct start-up position.
  • the pulse is a short-term phase commutation in the opposite direction before the actual start-up, that is to say energizing a stator winding on the basis of an inverted Hall sensor signal.
  • the impulse to move the rotor in the opposite direction of rotation ensures that the rotor receives sufficient "momentum" during the subsequent start-up in the correct direction of rotation to overcome the counter-torque during the first commutation.
  • the Hall sensor is mounted on the stator or on an electronic circuit board and is offset in the direction of rotation with respect to a central position of a stator pole. This ensures that the rotor starts up in the correct direction of rotation.
  • the single-phase claw-pole motor is preferably used in electric pumps, in particular in electric centrifugal pumps.
  • electric liquid pumps are also conceivable for the application.
  • FIG. 1 shows a process flow diagram of a start-up of a single-phase
  • FIG. 2 shows a process flow chart of a start-up of a single-phase
  • FIG. 1 shows a process flowchart for starting a single-phase claw-pole motor according to the prior art.
  • the motor phases are commutated with 100% duty cycle in relation to the frequency of the fall sensor, after which another commutation operating mode can be selected, for example 100% duty cycle or a regulated speed, or controlled or regulated motor operation.
  • the rotor can start in the correct direction or in the opposite direction, which can result in what is known as a false start. In other words is the
  • the rotor position taken by the rotor before start-up depends on the tolerances or inaccuracies on the following components:
  • FIG. 2 shows a process flowchart for starting a single-phase claw-pole motor according to the present invention.
  • a pulse is generated to move the rotor in the opposite direction by energizing a stator winding based on an inverted Hall sensor signal.
  • the pulse is generated before the start-up begins.
  • the rotor is shifted backwards by a certain distance in the opposite direction. This enables the rotor to cover an increased distance to generate sufficient acceleration energy to overcome the counter-torque after the first commutation instant.
  • After the first commutation time there is a short braking and a long acceleration phase.
  • the pulse is preferably a brief (for example 1.5 msec) phase commutation in the opposite direction before start-up, that is to say energizing a stator winding on the basis of an inverted Hall sensor signal.
  • the reverse phase commutation causes the rotor to shift in the opposite direction of rotation and during the subsequent start-up it experiences more acceleration than braking, which prevents starting in the wrong direction.
  • a Hall sensor signal is used to monitor the start-up. After the generation of the pulse in the opposite direction, some commutations with 100% duty cycle and then any operation, for example, continue to be 100% duty cycle or a regulated speed, or a controlled or regulated motor operation.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anlaufen eines Rotors eines einphasigen Klauenpolmotors, wobei der Klauenpolmotor einen permanenterregten Rotor, der im Nominalbetrieb eine Bewegung in eine Laufrichtung ausführt, einen elektronisch kommutierten Stator und einen Hallensensor zur Bestimmung der relativen Rotorlage umfasst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte beinhaltet: a. Erzeugung eines Impuls zur Bewegung des Rotors in die entgegengesetzte Laufrichtung durch Bestromung einer Statorwicklung aufgrund eines invertierten Hallsensorsignals; b. Anlauf des Rotors zur Bewegung in Laufrichtung durch Bestromung einer Statorwicklung aufgrund eines Hallsensorsignals.

Description

Titel: Verfahren zum Anlaufen eines Rotors eines Klauenpolmotors
BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anlaufen eines Rotors eines einphasigen Klauenpolmotors gemäß dem Gegenstand des Patentanspruchs 1.
Pumpen können beispielsweise in Kraftfahrzeugen zur Förderung und Transport von Flüssigkeiten, etwa Kühlflüssigkeit, eingesetzt werden. Üblicherweise werden derartige Pumpen mittels eines elektrischen Antriebs betrieben, der mit dem Rotor der Pumpe in Wirkverbindung steht. Als elektrischer Antrieb können hierbei einphasige Klauenpolmotoren zum Einsatz kommen, die einen permanenterregten Rotor und einen elektronisch kommutiertem Stator aufweisen. Ein Hallsensor wird verwendet um die relative Rotorlage zu bestimmen, welche notwendig ist um den Strom in der Stator Wicklung zu kommutieren, damit eine Drehbewegung des Rotors resultieren kann.
Etwa durch Windmilling-Effekte kann es passieren, dass die Rastposition des Rotors ungünstig liegt, so dass dieser beim Anlaufen Schwierigkeiten haben könnte, das Gegenmoment bei der ersten Kommutierung zu überwinden. Hier besteht die Gefahr eines Falschanlaufs der Pumpe, das heißt, das Anlaufen und die Bewegung des Rotors erfolgt entgegen der Laufrichtung im Nominalbetrieb. Auch durch ein zu geringes Rastmoment oder durch viel Reibung besteht die Gefahr eines Falschanlaufs der Pumpe. Aufgabe der Erfindung ist es einen Falschanlauf eines Rotors einer Pumpe, insbesondere bei einem einphasigen Klauenpolmotor, zu verhindern. Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1.
Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Patentanspruch 1 ist vorgesehen zum Anlaufen eines Rotors eines einphasigen Klauenpolmotors, wobei der Klauenpolmotor einen permanenterregten Rotor, der im Nominalbetrieb eine Bewegung in eine Laufrichtung ausführt, einen elektronisch kommutierten Stator und einen Hallensensor zur Bestimmung der relativen Rotorlage umfasst. Das Verfahren beinhaltet folgende Schritte: a. Erzeugung eines Impuls zur Bewegung des Rotors in die entgegengesetzte Laufrichtung durch Bestromung einer Statorwicklung aufgrund eines invertierten Hallsensorsignals und b. Anlauf des Rotors zur Bewegung in Laufrichtung durch Bestromung einer Statorwicklung aufgrund eines Hallsensorsignals.
Der Rotor einer Pumpe kann an einer beliebigen Anzahl von Stellen, bevorzugt 8 Stellen, durch Rasten arretieren wenn dieser unbestromt ist. Die Pumpenelektronik fährt die Pumpe unter Berücksichtigung der Signale eines Hallsensors an, der am Stator angebracht ist. Die Rotorposition vor dem Anlauf ist vom Rastmoment (vom magnetischen Kreis definiert), Reibung und externen Momenten (zum Beispiel wegen Überströmen des hydraulischen Kreises) definiert. Der Pumpenrotor muss bei Anlauf aus der Ruhelage (Rastlage) das kurze motorische Gegenmoment bei der ersten Kommutierung in Drehrichtung überwinden, sprich es muss genügend rotatorische Energie erzeugt werden. Gelingt dies nicht, erfolgen eine Richtungsumkehr und damit ein Falschanlauf des Rotors. Weiterhin kann der Kommutierungszeitpunkt verschoben sein (etwa durch Magnetisierung der Magneten und der Positionierung des Hallsensors) und zum gleichen Problem führen. Mittels eines kurzen Impulses entgegengesetzt zur Laufrichtung bekommt der Rotor mehr Zeit und (Anlauf-)Weg zur Verfügung gestellt um genügend Schwung zu holen und damit das Gegenmoment zu überwinden. Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass in dem Fall, dass während oder unmittelbar nach der Erzeugung eines Impuls zur Bewegung des Rotors in die entgegengesetzte Laufrichtung für eine vorbestimmte Zeitdauer der Anlauf unterbrochen wird und erneut ein Impuls zur Bewegung des Rotors in die entgegengesetzte Laufrichtung für eine vorbestimmte Zeitdauer erfolgt.
Um falsche Kommutierungen zu verhindern ist es möglich das Hallsensorsignal während und kurz nach der Erzeugung eines Impuls zur Bewegung in die entgegengesetzte Laufrichtung des Rotors zu überwachen. Falls das Hallsensorsignal während der Überwachungszeit Änderungen feststellt, wird der Anlauf gestoppt und nach kurzer Zeit (zum Beispiel 150ms) wird die Erzeugung eines vorherig beschriebenen Impuls wiederholt.
An der Hallsensorposition überlagern sich das Rotorfeld und das Streufeld des Stators. Falls der Rotor vor dem Anlauf aus der nominellen Position so stark versetzt ist, dass das Rotormagnetfeld am Hallsensor sehr schwach ist, kann das Statorstreufeld das Rotormagnetfeld unzulässig stören, so dass das Hallsensorsignal während des Erzeugung des Impulses direkt invertiert wird, was zu einer falschen Kommutierung führt.
In einer bevorzugten Ausführung erfolgt bei Überschreitung einer begrenzten Anzahl (beispielsweise drei Versuche) von Wiederholungen an derartiger Erzeugung von Impulsen ein Anlauf des Rotors ohne Erzeugung eines Impuls. Dies könnte zum Beispiel im Fall einer Überwindung einer Blockade der Pumpe sinnvoll sein, bei der der Anlauf ohne Erzeugung eines Impuls zur Bewegung des Rotors in die entgegengesetzte Laufrichtung erfolgt.
In einerweiteren Ausführungsform wird die vorbestimmte Zeitdauer abhängig von einer Versorgungsspannung des einphasigen Klauenpolmotors ermittelt oder bestimmt. Es besteht die Möglichkeit die Erzeugung mindestens eines Impuls bezüglich der vorbestimmten Zeitdauer in Abhängigkeit der Versorgungsspannung des einphasigen Klauenpolmotors zu verändern. Dies entkoppelt vorteilhaft den Energieeintrag in der Wicklung und die effektive Wirkung auf eine Verhinderung oder Reduzierung der Falschanläufe in Abhängigkeit der Versorgungsspannung. Die entsprechenden vorbestimmten Werte für die Zeitdauer können errechnet oder experimentell ermittelt sein. (Beispielhafte Werte sind: 1,5 msec bei <= 11V; 1,1 msec 11V < V <= 13,5V und 0,8 msec bei > 13,5V Versorgungsspannung)
Weiterhin bevorzugt erfolgt die Bestromung einer Statorwicklung durch Kommutierung von Leistungselektronik. Diese Bauteile sind im Stand der Technik üblicherweise verwendete Bauelemente wie beispielsweise MOSFETs oder IGBTs.
In einer Ausführungsform ist die vorbestimmte Zeitdauer so gewählt ist, dass durch die Bewegung des Rotors in die entgegengesetzte Laufrichtung dieser beim anschließenden Anlauf mehr Beschleunigung als Bremsung erfährt um ein Gegenmoment bei einem ersten Kommutierungszeitpunkt zu überwinden um eine Bewegung in Laufrichtung zu gewährleisten. Somit wird ein Falschanlauf bevorzugt verhindert. Um eine korrekte Anlaufposition zu gewährleisten kann mindestens ein Impuls angewendet werden.
Der Impuls ist im Sinne der Erfindung eine kurzzeitige Phasenkommutierung in entgegengesetzte Laufrichtung vor dem eigentlichen Anlauf, also eine Bestromung einer Statorwicklung aufgrund eines invertierten Hallsensorsignals. In anderen Worten wird durch den Impuls zur Bewegung des Rotors in die entgegengesetzte Laufrichtung dafür gesorgt, dass der Rotor beim anschließenden Anlauf in die korrekte Drehrichtung ausreichend „Schwung“ erhält um das Gegenmoment bei der ersten Kommutierung zu überwinden.
Gemäß einer Ausbildung ist der Hallsensor am Stator oder an einer Elektronikleiterplatte montiert und hinsichtlich einer Mittelposition eines Statorpols in Drehrichtung versetzt angeordnet. Dadurch ist ein Anlauf des Rotors in eine korrekte Drehrichtung gewährleistet.
Bevorzugt findet der einphasige Klauenpolmotor Anwendung in elektrischen Pumpen, insbesondere in elektrischen Kreiselpumpen. Jedoch sind auch andere elektrische Flüssigkeitspumpen für die Anwendung denkbar. Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
FIG 1 ein Verfahrensablaufdiagramm eines Anlaufs eines einphasigen
Klauenpolmotors gemäß dem Stand der Technik und FIG 2 ein Verfahrensablaufdiagramm eines Anlaufs eines einphasigen
Klauenpolmotors gemäß der vorliegenden Erfindung.
FIG 1 zeigt ein Verfahrensablaufdiagramm eines Anlaufs eines einphasigen Klauenpolmotors gemäß dem Stand der Technik. Die Motorphasen werden zum Start der Anlaufphase mit 100% Tastverhältnis bezüglich der Frequenz des Flall-Sensors kommutiert, danach kann eine andere Betriebsart der Kommutierung gewählt werden, beispielsweise weiterhin 100% Tastverhältnis oder eine geregelte Drehzahl, bzw. ein gesteuerter oder geregelter Motorbetrieb.
Abhängig von der Rotorposition (oder: Rastposition, Rastlage, Ruhelage) vor dem Anlauf kann der Rotor in die korrekte oder in die entgegensetzte Laufrichtung starten, was einen sogenannten Falschanlauf zur Folge haben kann. Mit anderen Worten ist die
Ruhelage des Rotors vor dem Anlauf zu nah an einer Position des ersten
Kommutierungszeitpunkts, um im Anlauf genügend Bewegungsenergie aufzuwenden um das Gegenmoment zu überwinden.
Die vom Rotor eingenommene Rotorposition vor dem Anlauf ist abhängig von den Toleranzen bzw. Ungenauigkeiten an den folgenden Komponenten:
• Magnetisierung des Arbeitsmagnets
• Magnetisierung des Sensormagnets
• Positionierung Hallsensor (verschiebt jeweils den Kommutierungszeitpunkt)
• Statorgeometrie / Material und Verarbeitung (beeinflussen das Rasten)
Die (schwache) Beschleunigung des Rotors beim Anlauf aus der Ruhelage heraus in die eigentlich korrekte Bewegungsrichtung wird also während der Bewegung in Bremsenergie umgewandelt, wodurch der Rotor bremst und stoppt. In der Folge wirkt eine Beschleunigung auf den Rotor entgegen der Laufrichtung und eine Bremsrichtung in Laufrichtung so dass der Rotor sich entgegen der Laufrichtung bewegt und ein Falschanlauf vorliegen kann.
FIG 2 zeigt ein Verfahrensablaufdiagramm eines Anlaufs eines einphasigen Klauenpolmotors gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein Impuls wird erzeugt zur Bewegung des Rotors in die entgegengesetzte Laufrichtung durch Bestromung einer Statorwicklung aufgrund eines invertierten Hallsensorsignals. Insbesondere wird der Impuls vor Beginn des Anlaufs erzeugt. Hierdurch wird der Rotor quasi um eine gewisse Strecke in die entgegensetzte Richtung zurückversetzt. Dies ermöglicht dem Rotor eine erhöhte Wegstrecke zur Bildung ausreichender Beschleunigungsenergie zur Überwindung des Gegenmoments nach dem ersten Kommutierungszeitpunkt. Nach dem ersten Kommutierungszeitpunkt entstehen eine kurze Bremsung und eine lange Beschleunigungsphase. Der Impuls ist vorzugsweise eine kurzzeitige (zum Beispiel 1.5 msec) Phasenkommutierung in entgegengesetzte Richtung vor dem Anlauf, also eine Bestromung einer Statorwicklung aufgrund eines invertierten Hallsensorsignals. Die umgekehrte Phasenkommutierung führt dazu, dass der Rotor sich in die entgegengesetzte Laufrichtung verschiebt und beim anschließenden Anlauf mehr Beschleunigung als Bremsung erfährt, was den Anlauf in falsche Richtung verhindert.
Während des Anlaufs erfolgt eine Überwachung mittels eines Hallsensorsignals. Nach dem Erzeugung des Impulses in die entgegengesetzte Laufrichtung erfolgen einige Kommutierungen mit 100% Tastverhältnis und anschließend ein beliebiger Betrieb, beispielsweise weiterhin 100% Tastverhältnis oder eine geregelte Drehzahl, bzw. ein gesteuerter oder geregelter Motorbetrieb.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Anlaufen eines Rotors eines einphasigen Klauenpolmotors, wobei der Klauenpolmotor einen permanenterregten Rotor, der im Nominalbetrieb eine Bewegung in eine Laufrichtung ausführt, einen elektronisch kommutierten Stator und einen Hallensensor zur Bestimmung der relativen Rotorlage umfasst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte beinhaltet: a. Erzeugung eines Impuls zur Bewegung des Rotors in die entgegengesetzte Laufrichtung durch Bestromung einer Statorwicklung aufgrund eines invertierten Hallsensorsignals; b. Anlauf des Rotors zur Bewegung in Laufrichtung durch Bestromung einer Statorwicklung aufgrund eines Hallsensorsignals.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in dem Fall, dass während oder unmittelbar nach der Erzeugung eines Impuls zur Bewegung des Rotors in die entgegengesetzte Laufrichtung für eine vorbestimmte Zeitdauer der Anlauf unterbrochen wird und erneut ein Impuls zur Bewegung des Rotors in die entgegengesetzte Laufrichtung für eine vorbestimmte Zeitdauer erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei bei Überschreitung einer begrenzten Anzahl von Wiederholungen an derartiger Erzeugung von Impulsen ein Anlauf des Rotors ohne Erzeugung eines Impuls zur Bewegung in Laufrichtung erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die vorbestimmte Zeitdauer abhängig von einer Versorgungsspannung des einphasigen Klauenpolmotors ermittelt oder bestimmt wird.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Bestromung einer Statorwicklung durch Kommutierung von Leistungselektronik erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die vorbestimmte Zeitdauer so gewählt ist, dass durch die Bewegung des Rotors in die entgegengesetzte Laufrichtung dieser beim anschließenden Anlauf mehr Beschleunigung als Bremsung erfährt um ein Gegenmoment bei einem ersten Kommutierungszeitpunkt zu überwinden um eine Bewegung in Laufrichtung zu gewährleisten.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Hallsensor am Stator oder an einer Elektronikleiterplatte montiert ist und hinsichtlich einer Mittelposition eines Statorpols in Drehrichtung versetzt angeordnet ist.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der einphasige Klauenpolmotor in elektrischen Pumpen, insbesondere in elektrischen Kreiselpumpen, Anwendung findet.
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