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Dokumentenidentifikation DE60107039T2 03.11.2005
EP-Veröffentlichungsnummer 0001211787
Titel Elektrischer Motor mit elektronischer Steuerung
Anmelder Elco S.p.A., Bergamo, IT
Erfinder Colombo, Enzo, 24049 Verdello (Bergamo), IT
Vertreter HOFFMANN & EITLE, 81925 München
DE-Aktenzeichen 60107039
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 13.11.2001
EP-Aktenzeichen 011269404
EP-Offenlegungsdatum 05.06.2002
EP date of grant 10.11.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.11.2005
IPC-Hauptklasse H02K 29/10
IPC-Nebenklasse H02P 1/46   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Motor mit elektronischer Steuerung und insbesondere auf einen synchronen elektrischen Motor mit einem Permanentmagnetrotor.

Wie bekannt ist, dient ein elektrischer Motor dazu, absorbierte elektrische Energie in mechanische Energie zu konvertieren. Der elektrische Motor umfasst einen rotierenden Teil, der der Rotor genannt wird, ganzheitlich mit einer Welle, zu der die mechanische Energie übertragen werden muss. Der Rotor ist innerhalb eines fixierten Teils des Motors untergebracht, der der Stator genannt wird.

Der Rotor und der Stator umfassen Sätze von Wicklungen. Diese sind eine Erregungswicklung, die gedacht ist, dass sie durch elektrische Ströme durchlaufen wird, die eine magnetische Antriebskraft generieren, die notwendig ist, einen magnetischen Induktionsfluss zu schaffen, und eine Ankerwicklung, die gedacht ist, durch elektrische Ströme durchlaufen zu werden, die, in dem magnetischen Induktionsfeld, eine Kombination von mechanischen Aktionen verursachen, die dazu beitragen, ein Drehmoment an der Achse der Rotation des Rotors vorzusehen. Als ein Beispiel wird hierin spezieller Bezug auf einen synchronen elektrischen Motor mit einem Permanentmagnetrotor genommen, wobei verstanden wird, dass sich die Erfindung auch auf asynchrone Motoren mit Rotoren erstreckt, die nicht eine magnetische Struktur aufweisen.

Insbesondere umfasst der synchrone Motor mit einem Permanentmagnetrotor einen Rotor, der aus Permanentmagneten besteht, und einen Stator, der Wicklungen trägt, die mit Wechselstrom versorgt werden, für eine Bestimmung eines rotierenden magnetischen Feldes. Der Rotor tendiert dank seiner magnetischen Polarisierung, befindlich in dem rotierenden magnetischen Feld, das durch den Stator generiert wird, dazu, bei der Geschwindigkeit von Synchronismus zu rotieren, auferlegt durch den Wechselstrom, der von der Hauptversorgung absorbiert wird.

Synchrone elektrische Motoren mit einem Permanentmagnetrotor haben den wesentlichen Nachteil, dass sie nicht selbst-startend sind, deshalb müssen sie mit einem anderen Startermotor oder mit einer elektronischen Schaltung, die das Hochfahren des Motors steuert, gekoppelt sein.

Ein anderer Nachteil von synchronen elektrischen Motoren besteht darin, dass sie nicht sehr vielseitig sind, da sie ausschließlich bei der Frequenz gespeist werden müssen, die durch die Hauptversorgung auferlegt wird (Synchronismusfrequenz).

Ein anderer Nachteil von elektrischen Motoren wird durch die Möglichkeit einer Blockierung des Rotors dargestellt. In der Tat kann der Rotor blockiert werden, hauptsächlich durch einen mechanischen Fehler, wie etwa z.B. Bruch eines Lagers oder einer Buchse, die zwischen den Rotor und den Stator zwischengestellt ist, oder wegen dem Vorhandensein eines Fremdkörpers, der den Ventilator blockiert, der durch die Antriebsquelle angesteuert wird. Elektrische Motoren gemäß dem Stand der Technik haben keinerlei System zum Schutz gegen Blockierung des Rotors.

EP 1 130 757 legt eine Steuerschaltung für einen elektrischen Motor mit Permanentrotormagnet offen. Die Steuerschaltung umfasst einen Schalter, der zum Schalten von einer Startbedingung zu einer Laufbedingung des Motorrotors gedacht ist.

EP 1 052 764 legt die Verwendung von einem Halleffekt-Magnetsensor offen, der für eine Erfassung der Position eines Permanentmagnetrotors gedacht ist. Ferner legt EP 1 052 764 eine Prozedur zum Steuern des Rotorblocks offen.

FR 2 458 933 legt einen Wechselstrommotor ohne Kollektor offen. Die Steuerschaltung des Motors hat einen einen Diodenbrückengleichrichter, einen Filterkondensator und vier Transistoren.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen, wobei ein elektrischer Motor mit elektronischer Steuerung bereitgestellt wird, die dem Motor erlaubt, mit einer Wechselspannung bei einer beliebigen Frequenz ungeachtet der Hauptversorgungsfrequenz hochgefahren und gespeist zu werden.

Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen elektrischen Motor mit elektronischer Steuerung vorzusehen, die ein System zum Schutz gegen Blockierung des Rotors vorsieht.

Diese Ziele werden in Übereinstimmung mit der Erfindung mit den Charakteristika erreicht, die in dem angefügten unabhängigen Anspruch 1 aufgeführt sind.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung erscheinen aus den abhängigen Ansprüchen.

Der elektrische Motor gemäß der Erfindung umfasst eine elektronische Steuerung, die zum Managen der verschiedenen Betriebsmodi des Motors fähig ist. Die elektronische Steuerung umfasst einen Sensor, um die Position und Rotation des Rotors zu erfassen, einen Mikroprozessor, der Signale von dem Sensor empfängt, die die Position des Rotors und die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors anzeigen, und zwei Schalter, die durch den Mikroprozessor gesteuert werden, um eine Wechselspannungseingabe zu den Wicklungen des Motors zu senden.

Dank diesem elektronischen Steuersystem können verschiedene Funktionen des Motors implementiert werden.

Der Sensor erlaubt durch Erfassen der Position des Rotors, ihn ohne die Notwendigkeit für einen weiteren Ingangsetzungsmotor hochzufahren.

Des weiteren ist der Mikroprozessor durch Steuern der Ein-/Aus-Periode der Schalter in der Lage, die Frequenz der Versorgungsspannung, die an den Motor anzulegen ist, unabhängig von der Frequenz der Hauptspannung zu variieren.

Des weiteren ist die Synchronisationseinrichtung in der Lage, die Frequenz der Versorgungsspannung des Motors mit der Frequenz der Hauptspannung zu synchronisieren, was eine präzise Steuerung der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors erlaubt, die mit der Frequenz der Hauptenergieversorgungsspannung verriegelt ist.

Des weiteren erlaubt die elektronische Steuerung gemäß der Erfindung, eine Prozedur gegen Blockierung des Rotors zu implementieren. Falls innerhalb einer vorbestimmten Periode die Rotorgeschwindigkeit eine vorbestimmte Schwelle nicht überschreitet, zeigt dies in der Tat an, dass der Rotor blockiert ist; deshalb hält der Mikroprozessor die Schalter ausgeschaltet, um den Motor nicht zu speisen, was beliebigen Schaden an dem Rotor wegen einem Versuch, den Rotor zum Rotieren zu zwingen, vermeidet. Diese Rotorblocksteuerprozedur kann bis zu einer vorbestimmten Zahl von Malen wiederholt werden um zu prüfen, ob eine zufällige Blockierung aufgetreten ist.

Weitere Charakteristika der Erfindung werden durch die folgende detaillierte Beschreibung klarer gemacht, die auf eine rein beispielhafte und deshalb nicht begrenzende Ausführungsform davon verweist, veranschaulicht in den angefügten Zeichnungen, in denen:

1 eine perspektivische auseinandergezogene Ansicht ist, die einen elektrischen Motor gemäß der Erfindung veranschaulicht;

2 eine perspektivische auseinandergezogene Ansicht des elektrischen Motors von 1 ist, aufgenommen von einem anderen Winkel;

2A eine perspektivische auseinandergezogene Ansicht ist, die die zwei Halbschalen des Gehäuses des elektrischen Motors gemäß der Erfindung veranschaulicht;

3 ein elektrisches Schaltbild ist, das die elektronische Steuerung des Motors gemäß der Erfindung veranschaulicht;

4 ein Flussdiagramm ist, das die verschiedenen Phasen einer Operation der elektronischen Steuerung gemäß der Erfindung veranschaulicht. Der elektrische Motor mit der elektronischen Steuerung gemäß der Erfindung wird mit der Hilfe der Figuren beschrieben.

In 1 und 2 wird ein elektrischer Motor gemäß der Erfindung, der als ein ganzes durch Bezugszeichen 100 bezeichnet ist, veranschaulicht. Der Motor 100 umfasst ein Gehäuse 10, das aus einer ersten Halbschale 11 und einer zweiten Halbschale 12 besteht. Die zwei Halbschalen 11 und 12 werden mittels eines fixierenden Stabs 13 so zusammengebaut, um innerhalb von ihnen eine zylindrische Kammer zu erzeugen, um die Motorelemente zu enthalten. Die Achse des Gehäuses 10 ist mit dem Buchstaben A bezeichnet. Die Halbschale 12 hat ein axiales Loch 14, durch das die Antriebswelle austritt.

Die Motorelemente umfassen einen Stator 20 und einen Rotor 30.

Der Stator 20, in der Form im wesentlichen zylindrisch, hat ein axiales Loch 21, das dazu bestimmt ist, den Rotor 30 aufzunehmen, und vier periphere Ausnehmungen 22, um die Statorwicklungen (nicht gezeigt) aufzunehmen. Der Stator 20 ist zwischen eine erste starre isolierende Stütze 40 und eine zweite starre isolierende Stütze 50 eingelegt.

Die erste isolierende Stütze 40 hat ein axiales Loch 41 in Einpassung mit dem Loch 21 des Stators 20 und vier Schlitze 42 in Einpassung mit den Schlitzen 22 des Stators 20. Die zweite isolierende Stütze 50 hat auch vier Schlitze 52 in Einpassung mit den Schlitzen 22 des Stators 20.

Der Stator 20 hat an seiner zylindrischen Fläche vier Nuten 23, eine Hälfte von denen innerhalb der zweiten Halbschale 12 des Gehäuses 10 eingreift und die andere Hälfte innerhalb der ersten Halbschale 11 eingreift. Auf diese Art und Weise ist der Stator 20 axial innerhalb des Gehäuses 10 aufgestellt und damit ganzheitlich.

Der Rotor 30 ist in der Form im wesentlichen zylindrisch, mit einem kleineren Durchmesser als der Durchmesser des axialen Lochs 21 des Stators 20, um darin positioniert werden zu können. Der Rotor 30 ist ein Permanentmagnetrotor, der per se bekannt ist und deshalb nicht weiter detailliert erläutert wird.

Der Rotor 30 umfasst eine Welle 31, die axial und ganzheitlich damit aufgestellt ist. Die Welle 31 des Rotors greift in Lager oder Buchse 15 (2A), fixiert mit einer Feder 16 innerhalb der Halbschale 12 des Gehäuses und einem Flansch 17 ein, sodass die Welle 31 aus dem axialen Loch 14 der Halbschale 12 austreten kann, sodass eine Last dazu angelegt werden kann. Der Flansch 17 ist an der Außenseite des Gehäuses 12 angebracht, um einen Ventilator zu stützen.

Wie in der Technik bekannt ist, muss ein elektrischer Motor mit einem Permanentmagnetrotor ein Ingangsetzungssystem haben, um Hochfahren einer Rotation des Rotors zu erlauben. Allgemein kann das Ingangsetzungssystem durch eine elektronische Steuerung vorgesehen werden.

Die elektronische Steuerung des Motors 100 gemäß der Erfindung wird nun beschrieben.

Ein Schirm oder Schild 60, der/das einen Teil der elektronischen Steuerung bildet, ist um die Welle 31 hinter dem Rotor 30 montiert. Der Schirm 60 hat, wie in 2 gezeigt, zwei abschirmende Wände 61 in der Form von gekrümmten Platten, die diametral entgegengesetzt zueinander aufgestellt sind und eine normale Achse R haben, die im wesentlichen mit einer radialen Achse der Rotorwelle 31 übereinstimmt.

Die Elektronik der elektronischen Steuerung des Motors, als ein ganzes mit Bezugszeichen 80 bezeichnet, ist auf einer Platte oder Platine 70 aufgestellt, die geeignet ist, an der zweiten starren isolierenden Stütze 50 fixiert zu werden. Für diesen Zweck hat die zweite isolierende Stütze 50 vier Haken 53, die gedacht sind, in vier Löchern 73 einzugreifen, die an der Platte 70 peripher ausgebildet sind. Die zweite isolierende Stütze 50 hat vier rechteckige Zungen 54, die gestaltet sind, gegen die periphere Fläche der Platte 70 anzustoßen, um die Elektronik 80 von den Wicklungen (nicht gezeigt) des Stators 20 zu isolieren.

Der Motor 100 umfasst einen elektrischen Verbinder 2, der mit einem Energiekabel 3 mit einem Stecker (nicht gezeigt) für eine Verbindung mit der Hauptenergieversorgung verbunden ist. Der Verbinder 2 hat einen Anschluss 4, der sich mit einem komplementären Verbindungselement verbindet, das in der Platine 70 vorgesehen ist, um die Elektronik 80 zu speisen. Der Verbinder 2 kann sich direkt mit der Platine 70 durch geeignete Verbinder verbinden, um die Energieversorgung zu den verschiedenen elektronischen Komponenten zu übertragen.

Die Elektronik 80 umfasst einen Positionssensor 81 des optischen Typs, der auf einer Fläche 71 der Platte 70 aufgestellt ist, die dem Stator 20 gegenüberliegt. Der Positionssensor 81 ist gabelförmig mit zwei Armen, die einen Zwischenraum 82 derart definieren, um den Durchgang der abschirmenden Flächen 61 des Schirmes 60 zu erlauben, wenn sich der Rotor 30 um seine eigene Achse dreht.

Der optische Sensor 81 umfasst eine Fotodiode (Sender), die ein Lichtsignal emittieren kann, und einen Fototransistor (Empfänger), der das Lichtsignal empfangen kann, das durch die Fotodiode emittiert wird. Der Empfänger emittiert des weiteren ein Ausgangsspannungssignal, das das empfangene Lichtsignal anzeigt.

Der Sender und der Empfänger sind jeweils an den zwei Armen der Gabel des optischen Sensors 81 aufgestellt. Auf diese Art und Weise wird, wenn die abschirmende Fläche 61 in dem Luftzwischenraum 82 des optischen Sensors 81 passiert, das leuchtende Signal, das durch den Empfänger empfangen wird, unterbrochen. Somit gibt es während Rotation des Motors eine Ausgangsimpulsfolge von dem Empfänger des optischen Sensors, deren Frequenz gleich der Frequenz einer Rotation des Rotors 30 ist.

Als eine Alternative zu dem optischen Sensor 81 kann ein magnetischer Sensor mit einem Hall-Effekt vorgesehen werden, der das magnetische Feld erfasst, das durch die Permanentmagneten erzeugt wird, die sich an dem Rotor 30 befinden. In diesem Fall wird der Schirm 60 an der Welle 31 des Rotors 30 nicht vorgesehen. Dieser magnetische Sensor kann innerhalb des Statorankers positioniert sein und dem Rotor 30 gegenüberliegen, dann mittels eines elektrischen Kabels mit der Platine 70 verbunden sein, in der die Elektronik 80 installiert ist.

Auf diese Weise erzeugt während Rotation des Rotors 30 ein Wechsel des positiven Pols und des negativen Pols des magnetischen Feldes, das durch die Permanentmagneten generiert wird, eine Ausgangsimpulsfolge von dem magnetischen Sensor mit einer Frequenz, die gleich der Frequenz der Rotation des Rotors ist.

3 veranschaulicht ein elektrisches Schaltbild der Elektronik 80 zum Betreiben des Motors 100. Der Sensor 81 ist mit einer Steuereinheit 83 verbunden, die aus einem Mikroprozessor besteht. Der Mikroprozessor 83 steuert zwei elektronische Schalter S1 und S2, die die elektrische Versorgungsschaltung der Wicklungen des Motors 100 öffnen/schließen.

Die Schalter S1 und S2 können z.B. zwei MOSFET-Transistoren sein und der Mikroprozessor 83 hat zwei Ausgangspins, die mit den jeweiligen Gate-Elektroden der MOSFET-Transistoren S1 und S2 verbunden sind, um Einschalten/Ausschalten davon zu steuern. Einschalten bedeutet, wenn der MOSFET in dem Leitungsbereich ist und die Schaltung geschlossen ist; Ausschalten bedeutet, wenn der MOSFET in dem Abschaltbereich ist und die Schaltung geöffnet ist. Es sind zwei Rückführungsdioden D3 und D4 parallel zu den MOSFET-Transistoren S1 bzw. S2 positioniert.

Die elektrische Versorgung zu dem Motor 100 findet mittels einer Verbindung mit der Hauptenergieversorgung 90 statt. Der Hauptversorgung wird eine sinusförmige Wechselspannung Vi entnommen und zu einer Eingangsleistungsstufe gesendet, die aus einer Gleichrichterschaltung 84 besteht, die zwei Dioden D1 und D2 umfasst. Die Gleichrichterschaltung 84 dient dazu, die Wechselhauptspannung Vi in eine Einweg-Pulsierungsspannung zu transformieren.

In dem Ausgang von der Gleichrichtungsschaltung 84 sind zwei glättende Kondensatoren C1, C2, die dazu dienen, die pulsierende Spannung in eine Gleichspannung (mindestens als eine erste Näherung) zu konvertieren, die die Vorspannungsspannung der MOSFETs S1 und S2 bildet. Wie in der Technik bekannt ist, müssen die MOSFETs in der Tat mit einer Gleichspannung versorgt werden.

Da der Motor 100 ein synchroner Motor mit einem Permanentmagnetrotor ist, ist er nur in der Lage, ein elektromotorisches Drehmoment abzugeben, falls mit einer Wechselspannung versorgt. Falls der Motor 100 bei einer konstanten Spannung versorgt wird, wie die Ausgangsspannung von den glättenden Kondensatoren C1 und C2, ist er nicht in der Lage zu starten.

Das Ziel der elektronischen Steuerung besteht darin, einen Lauf des Motors 100 bei einer variablen Geschwindigkeit ungeachtet der Frequenz, die durch die Hauptversorgung 90 auferlegt wird, zu erlauben. Dies ist durch die Schaffung einer Zwischenstufe, die aus glättenden Kondensatoren C1 und C2 besteht, die die Wechselhauptspannung in eine Gleichspannung konvertieren, und einer weiteren Inverterstufe, die aus den Schaltern S1 und S2 besteht, die Erzeugung einer Wechselversorgungsspannung bei einer variablen Frequenz beginnend von einer Gleichspannung erlaubt, möglich.

Der Sensor 81 agiert als ein Winkelpositionssignalgeber und sieht Information über die Position des Rotors 30 vor. Gemäß der Information, die von dem Sensor 81 empfangen wird, ermöglicht der Mikroprozessor 83 abwechselnd Öffnen/Schließen der Schalter S1 und S2 so, um eine Wechselspannung als die Eingabe zu dem Motor 100 vorzulegen, mit der notwendigen Phasenverschiebung in Bezug auf den magnetischen Fluss des Rotors 30, um eine Entwicklung des beschleunigenden Drehmomentes des Rotors 30 sicherzustellen und Hochfahren des Motors zu erlauben.

Auf diese Art und Weise wird der Rotor veranlasst zu beschleunigen, bis er zu einer Geschwindigkeit gebracht ist, die den Gleichgewichtszustand zwischen dem bewegenden Drehmoment, das dem Rotor 30 übermittelt wird, und dem Widerstandsdrehmoment der Last, die der Welle 31 des Rotors auferlegt wird, darstellt. Das Schaltbild wurde so gestaltet, um keine abführenden Elemente zum Dämpfen der Schaltüberspannungen, die durch die Schalter S1 und S2 weitergegeben werden, zu erfordern. Dies erlaubt, höheres Leistungsverhalten beim Laufen des Motors zu erreichen.

Es wird nun eine Operation des Motors 100 mit der elektronischen Steuerung gemäß der Erfindung beschrieben. Die elektronische Steuerung erlaubt verschiedene Funktionen.

Eine erste Funktion wird durch Schutz gegen Rotorblockierung dargestellt.

Wenn der Motor 100 mit der elektrischen Hauptversorgung 90 verbunden ist, beginnt der Mikroprozessor 83, die Schalter S1 und S2 so anzusteuern, um den Motor 100 zu speisen, um ihn in Rotation zu versetzen. Zur gleichen Zeit erfasst der Sensor 81 eine beliebige Rotation des Rotors 30 und sendet entsprechend Signale zu dem Mikroprozessor 83. Falls innerhalb einer vorbestimmten Zeit die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors eine vorbestimmte Schwelle nicht überschreitet, bedeutet dies, dass der Rotor mechanisch blockiert ist oder die Last, die an die Antriebswelle angelegt ist, hoch ist oder die Reibung zwischen den sich drehenden und gleitenden Elementen des Motors übermäßig ist. Der Mikroprozessor 83 hört deshalb auf, die Schalter S1 und S2 anzusteuern, wobei so die Energieversorgung zu dem Motor unterbrochen wird. Folglich wird der Rotor nicht gezwungen zu rotieren und somit wird Überhitzung gefolgt durch Schaden an dem Stator 20 vermieden.

Die Motorinbetriebnahmeprozedur wird wiederholt um zu sehen, ob eine zufällige Blockierung aufgetreten ist. Falls der dritte Versuch für eine Inbetriebnahme nicht erfolgreich ist, geht der Mikroprozessor 83 in Standby und akzeptiert nicht länger Steuersignale, um die Schalter S1 und S2 zu steuern. Der Mikroprozessor 83 kann seinen Standby-Zustand nur verlassen, falls die Energieversorgung unterbrochen wird.

Eine andere Funktion des elektrischen Motors mit elektronischer Steuerung gemäß der Erfindung wird durch Steuerung der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors dargestellt. Es sind drei mögliche Geschwindigkeitssteuermodi vorgesehen (freier Geschwindigkeitsmodus, gesteuerter Geschwindigkeitsmodus, synchroner Geschwindigkeitsmodus).

Freier Geschwindigkeitsmodus. In diesem ersten Betriebsmodus speist der Mikroprozessor 83 den Motor 100 bei der maximalen verfügbaren Spannung. Somit beschleunigt der Rotor 30, bis er eine variable Geschwindigkeit erreicht, die sich durch den mechanischen Ausgleich zwischen dem Lastwiderstandsdrehmoment an der Antriebswelle und dem bewegenden Drehmoment ergibt. Dies ist die maximale Geschwindigkeit, die der Motor mit dieser gegebenen Last erreichen kann.

Gesteuerter Geschwindigkeitsmodus. In diesem zweiten Betriebsmodus speist der Mikroprozessor 83 den Motor 100 bei einer variablen Spannung so, um den Rotor 30 zu beschleunigen, bis er zu einer vorbestimmten Geschwindigkeit gebracht ist. Offensichtlich ist die vorbestimmte Geschwindigkeit kleiner als die, die mit dem ersten Betriebsmodus erreicht werden kann, da die Versorgungsspannung des Motors kleiner als die maximale Versorgungsspannung ist, die durch die Hauptversorgung übermittelt wird.

Mit dem gesteuerten Geschwindigkeitsmodus wird ein doppelter Vorteil erreicht. Ein erster Vorteil wird durch die Möglichkeit einer Beibehaltung der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors unter der Steuerung dargestellt. Dies ist ein sehr wichtiger Faktor, falls der Motor als ein Ventilator arbeitet und es notwendig ist, den Luftstrom zu steuern.

Ein zweiter Vorteil wird durch die Möglichkeit einer Begrenzung des Energieverbrauchs des Rotors dargestellt, wobei vermieden wird, ihn unnötig bei der maximalen Versorgungsspannung zu betreiben.

Synchroner Geschwindigkeitsmodus. In diesem dritten Betriebsmodus speist der Mikroprozessor 83 den Motor 100 bei einer variablen Spannung so, dass der Rotor mit den gleichen Modi beschleunigt, die in dem gesteuerten Geschwindigkeitsmodus beschrieben werden, bis der Rotor 30 die Synchronismusgeschwindigkeit erreicht, die durch die Hauptversorgung auferlegt wird.

Wie bekannt ist, sieht die Hauptversorgung 90 eine wechselnde sinusförmige Spannung Vi mit einer Frequenz von 50 Hz für Europa oder 60 Hz für die USA vor. Die Frequenz wird durch den elektrischen Energieversorger innerhalb sehr enger Toleranzgrenzen mit maximalen Variationen von +/– 1% unterhalten. Falls ein synchroner Permanentmagnetmotor direkt bei der Hauptspannung Vi gespeist würde, wäre seine Rotationsgeschwindigkeit gleich der Hauptversorgungsfrequenz, geteilt durch die Zahl von Polpaaren des Motors. In dem betrachteten Fall hat der Motor 100 eine Statorwicklung mit zwei Polpaaren, somit wäre seine Rotationsgeschwindigkeit 1500 U/min (Synchronismusgeschwindigkeit, die durch die Hauptversorgung auferlegt wird).

Sobald der Rotor 30 eine Geschwindigkeit erreicht, die sich der Geschwindigkeit vom Synchronismus annähert, auferlegt durch die Hauptversorgung, wie in 3 gezeigt, erfasst eine elektronische Synchronisationsschaltung 85, die per se bekannt ist und deshalb nicht detailliert erläutert wird, die Nullspannungsdurchgänge der sinusförmigen Versorgungsspannung Vi. Die Synchronisationsschaltung 85 gibt Synchronismusimpulse in den erfassten Nullspannungsdurchgängen aus, somit emittiert sie eine Impulsfolge in der Hauptversorgungsfrequenz.

Diese Synchronismusimpulse werden zu dem Mikroprozessor 83 gesendet. Der Mikroprozessor 83 steuert gemäß den empfangenen Synchronismusimpulsen Einschalten/Ausschalten der Schalter S1 und S2, wobei somit dem Motor eine Wechselspannung in einer Viereckwellenform bei der gleichen Frequenz wie der Frequenz der Hauptversorgungsspannung und in Phase damit gesendet wird. Auf diese Art und Weise wird eine präzise Steuerung der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors, der mit der Hauptversorgung in Synchronismus verriegelt ist, erhalten.

Diese dritte Betriebsmodalität hat im Vergleich zu der ersten und zweiten Betriebsmodalität einen beträchtlichen Vorteil im Sinne einer Bemessung der glättenden Kondensatoren C1 und C2.

In der Tat gibt es in den ersten und zweiten Betriebsmodalitäten keine zeitliche Beziehung zwischen dem Moment, wenn der Mikroprozessor 83 eine Phase des Motors 100 versorgt, und den Flussmustern der Versorgungsspannung Vi. Dies bedeutet, dass im allgemeinen geschehen wird, dass der Motor zu speisen und deshalb Energie in Zeiten bereitzustellen ist, wenn die Versorgungsspannung nahe Null ist. In diesen Situationen ist es an den glättenden Kondensatoren C1 und C2, Energie zu dem Motor vorzusehen, und deshalb sind diese Kondensatoren mit Strömen mit einem hohen Effektivwert involviert. In dem Fall, dass der Motor mit einer Spannung mit einer unterschiedlichen Frequenz von der der Hauptversorgungsspannung versorgt wird, wird somit Einschalten der Schalter S1 und S2 in Zeiten gänzlich ohne Bezug bezüglich der Nulldurchgänge der Hauptversorgungsspannung stattfinden.

Durch Halten der Motorgeschwindigkeit verriegelt mit dem Hauptversorgungssynchronismus ist es andererseits möglich, eine Phase des Motors nur zuzuführen, wenn es eine Halbwelle der gleichen Polarität wie die Versorgungsspannung gibt. D.h. Einschalten der Schalter S1 und S2 findet genau in den Hauptversorgungsspannungsnulldurchgängen statt. Auf diese Art und Weise wird die positive Halbwelle der Versorgungsspannung des Motors in Phase mit der positiven Halbwelle der Hauptversorgungsspannung sein, und das gleiche wird auf die jeweiligen negativen Halbwellen zutreffen.

Auf diese Weise wird die Energie, die erforderlich ist, um den Motor zu speisen, tatsächlich direkt der Hauptversorgung 90 entnommen, was den effektiven Strom drastisch reduziert, der die glättenden Kondensatoren C1 und C2 involviert.

Dieser dritte Betriebsmodus hat des weiteren den Vorteil, dass die absorbierten Leistungsschwingungen vermieden werden, die in dem zweiten Betriebsmodus auftreten, wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors, die durch den Operator auferlegt wird, nahe der Synchronismusgeschwindigkeit ist, die durch die Hauptversorgung auferlegt wird.

Hierin nachstehend wird ein Flussdiagramm mit Bezug auf 4 veranschaulicht, das eine Operation des Motors 100 weiter erläutert.

Der erste Schritt 201 findet statt, wenn der Motor 100 mit der Energieversorgung verbunden wird und involviert eine Rücksetzprozedur, in der alle Variablen, die durch den Mikroprozessor 83 gemanagt werden, zurückgesetzt werden. In dem nächsten Schritt 202 ist der Mikroprozessor 83 in Standby für eine ausreichend lange Periode, z.B. 500 ms, um Stabilisierung der Hauptversorgungsspannung zu erlauben.

Sobald diese Standby-Periode vorüber ist, stellt der Mikroprozessor 83 in Schritt 203 sicher, dass die Schalter S1 und S2 ausgeschaltet sind. In Schritt 204 fährt das elektronische Programm zur Initialisierung der variablen fort, die durch den Mikroprozessor 83 gemanagt werden. Das Programm kann den Betriebsmodus des Motors (freier Geschwindigkeitsmodus, gesteuerter Geschwindigkeitsmodus, synchronisierter Geschwindigkeitsmodus) auswählen. In dem Fall, dass der geregelte Geschwindigkeitsmodus ausgewählt ist, initialisiert das Programm die Variable bezüglich der gewünschten Geschwindigkeit des Motors und somit den relativen Beschleunigungsanstieg.

In diesem Punkt erfasst der Sensor 81 in Schritt 205 die Position des Rotors 30. D.h. falls die abschirmende Fläche 61 des Schirmes 60 innerhalb der Gabel des Sensors 81 ist, empfängt der Sensorempfänger keinerlei Signal von dem Sender und sendet somit keinerlei Signal zu dem Mikroprozessor 83, wobei so angezeigt wird, dass der Rotor 30 in der Position ist, in der die abschirmende Fläche innerhalb der Sensorgabel ist.

Es wird dann Schritt 206 durchgeführt, in dem geprüft wird, ob der Rotor 30 mit der Hauptversorgung verriegelt ist. D.h. die Einrichtung 85 für eine Erfassung des Nulldurchgangs liest das Muster der Hauptversorgungsspannung Vi. Falls ein Nulldurchgang der Hauptversorgungsspannung Vi erfasst wird, sendet die Nulldurchgangserfassungseinrichtung 85 ein Steuersignal zu dem Mikroprozessor 83, der Schritt 207 durchführt, in dem er den Schalter S2 einschaltet.

Falls die Nulldurchgangserfassungseinrichtung 85 keinen Nulldurchgang der Hauptversorgungsspannung Vi erfasst, sendet sie keinerlei Steuersignal zu dem Mikroprozessor 83. Der Mikroprozessor 83 führt Schritt 208 durch, in dem er in Standby des Hauptversorgungssynchronismus ist. D.h. der Prozessor 83 wartet darauf, dass die Versorgungsspannung Vi Null durchläuft, um Schritt 207 auszuführen, in dem er Schalter S2 einschaltet.

Falls der Sensorempfänger in Schritt 205 das Signal von dem Sender empfängt, bedeutet dies auf die gleiche Weise, dass die abschirmende Fläche 61 nicht innerhalb der Sensorgabel ist. Auf dieser Basis sendet der Sensorempfänger ein Steuersignal zu dem Mikroprozessor 83, das die Position des Rotors identifiziert, worin die abschirmende Fläche 61 nicht innerhalb der Sensorgabel ist. In diesem Punkt wird ein Schritt 206', der im wesentlichen Schritt 206 identisch ist, ausgeführt, worin geprüft wird, ob der Rotor 30 mit der Hauptversorgung verriegelt ist.

Falls sich in Schritt 206' erweist, dass der Rotor mit der Hauptversorgung verriegelt ist, empfängt der Mikroprozessor ein Steuersignal und es folgt Schritt 209, in dem er Einschalten des Schalters S1 steuert.

Falls der Rotor in Schritt 206' nicht mit der Hauptversorgung verriegelt ist, empfängt der Mikroprozessor keinerlei Steuersignal und führt Schritt 208' durch, der im wesentlichen Schritt 208 identisch ist, worin er auf den Hauptversorgungssynchronismus wartet.

Nach Schritten 207 und 209, in denen die Schalter S1 und S2 eingeschaltet sind, wird Schritt 210 durchgeführt, in dem Ausschalten der Schalter erwartet wird. Falls die Schalter S1 und S2 zwei MOSFETs sind, ist die Periode, die zwischen Einschalten und Ausschalten des Schalters vergeht, offensichtlich dem Arbeitszyklus des MOSFET äquivalent.

Nach Schritt 210 kommt Schritt 211, in dem die zwei Schalter S1 und S2 ausgeschaltet sind. Einschalten und Ausschalten der Schalter S1 und S2 hat dem Motor eine Viereckwellenwechselspannung mit einer Frequenz gesendet, die gleich der Frequenz der Hauptversorgungsspannung Vi ist. Falls der Rotor 30 nicht blockiert ist, sollte er somit dank der Spannung eine Rotation beginnen und sich von der Startposition bewegen.

Auf diese Weise erfasst der Sensor 81 den Durchgang der abschirmenden Fläche 61, und jeder Durchgang der abschirmenden Fläche entspricht einer Umdrehung des Motors. In jeder Umdrehung des Rotors 30 erhöht der Mikroprozessor einen Zähler, der die Zahl von Umdrehungen des Motors zählt.

In diesem Punkt ist die Rotorblocksteuerprozedur implementiert. Nach Schritt 211, in dem die Schalter S1 und S2 geschlossen sind, steuert der Mikroprozessor 83 mittels eines Schrittes 212 den Inhalt des Motorumdrehungszählers. Falls der Inhalt des Zählers kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, bedeutet dies, dass der Rotor die Umdrehungen nicht abgeschlossen hat, die er unter normalen Bedingungen abgeschlossen haben sollte, woraus folgt, dass der Rotor 30 blockiert ist.

In diesem Punkt führt der Mikroprozessor Schritt 213 aus, in dem er für ein gewisses Zeitintervall, z.B. 3 Sekunden, pausiert, wobei er eine mögliche Rückkehr zu normalen Betriebsbedingungen erwartet.

Es wird dann Schritt 214 ausgeführt, worin der Mikroprozessor die Zahl von fehlgeschlagenen Versuchen bei Inbetriebnahme des Motors in einer Variablen speichert und prüft, ob diese Variable eine voreingestellte Schwelle, z.B. drei Versuche, überschreitet. Falls die vorbestimmte Schwelle nicht überschritten wurde, wird zu Schritt 205 zurückgekehrt, um einen neuen Versuch zu beginnen, den Rotor 30 zu starten.

Falls die voreingestellte Schwelle überschritten wurde, führt der Mikroprozessor 83 Schritt 215 durch, in dem er in eine Endlosschleife eintritt und andere Befehle nicht empfangen kann. Der Prozessor verlässt die Endlosschleife 215, falls die Energieversorgung unterbrochen wird, und somit wird die Versorgung durch Initiieren des Rücksetzschrittes 201 erneut wiederhergestellt.

Falls in Schritt 212 der Wert des Motorumdrehungszählers größer als die vorbestimmte Schwelle ist, bedeutet dies, dass der Rotor 30 nicht blockiert ist, und es wird Schritt 216 begonnen, in dem der Mikroprozessor die Initialisierungsvariablen prüft, die den Typ von Betriebsmodalität des Motors identifizieren, die durch den Operator eingestellt ist.

Falls der Benutzer keinerlei Rotorgeschwindigkeitseinstellung gesetzt hat, wird als Nächstes Schritt 217 ausgeführt, in dem die Steuerung vom Arbeitszyklus der Schalter S1 und S2 erhöht wird, d.h. der Effektivwert der Spannung, die den Rotor speisen wird, um ihn in Rotation zu versetzen, wird erhöht. Nach Schritt 217 wird Schritt 205 wiederholt, um die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors mit der Spannungsfrequenz der Hauptversorgung zu synchronisieren.

Falls der Mikroprozessor in Schritt 216 erfasst, dass der Benutzer die Betriebsmodalität auf gesteuerte Geschwindigkeit gesetzt hat und eine Variable mit dem gewünschten Rotorrotationsgeschwindigkeitswert gesetzt hat, wird Schritt 218 durchgeführt.

In Schritt 218 wird die Steuerung vom Arbeitszyklus der Schalter S1 und S2 verringert. D.h. in Übereinstimmung mit der Geschwindigkeit, die durch das Programm voreingestellt ist, wird der Effektivwert der Spannung, die den Rotor speisen wird, verringert, bis sich der Rotor bei der voreingestellten Geschwindigkeit dreht. Nach Schritt 218 wird Schritt 205 wiederholt, um die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors mit der Frequenz der Hauptversorgungsspannung zu synchronisieren.

Es können zahlreiche Variationen und Modifikationen im Detail innerhalb der Reichweite eines Durchschnittsfachmanns an der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden, ohne dadurch von dem Bereich der Erfindung abzuweichen, der in den angefügten Ansprüchen dargelegt ist.


Anspruch[de]
  1. Elektromotor (100), der folgendes umfasst:

    – einen Stator (20), der einen Satz Wicklungen umfasst und fest an ein Motorgehäuse (10) montiert ist,

    – einen Rotor (30), der innen im Stator (20) liegt und drehbar am Gehäuse (10) befestigt ist,

    – eine elektronische Steuerung (80) zur Steuerung des Motortriebs, die folgendes umfasst:

    – Aufnahmeelemente (81) zur Festsellung der Position des genannten Rotors und der Umdrehungsgeschwindigkeit des genannten Motors,

    – Schaltelemente (S1, S2), die einen elektrischen Speiseschaltkreis öffnen/schließen können, um den Statorwicklungen ein Wechselspannungssignal für deren Speisung zu senden,

    – einen Mikroprozessor (83), der mit den genannten Aufnahmeelementen verbunden ist, um davon Signale zu erhalten, die die Position des Rotors angeben, und mit den genannten Schaltelementen, um deren Öffnung/Schließung zu steuern und ein Wechselspannungssignal zur Speisung der Statorwicklungen zu erzeugen,

    – eine Gleichrichtungs-Eingangsstufe (84) zur Umwandlung der Wechselspannung der Hauptleitung in eine Impulsspanung gleichbleibender Richtung,

    – eine Glättungs-Zwischenstufe (C1, C2) zur Umwandlung der genannten Impulsspannung gleichbleibender Richtung, die die Eingangstufe als eine geglättete Direktspannung hinterlässt, und

    – eine Umschalt-Ausgangsstufe, die die genannten Schaltelemente (S1, S2) umfasst, um den genannten Direktspannungausgang von der Zwischenstufe auf Wechselspannung zur Speisung der Statorwicklungen umzuschalten;

    dadurch gekennzeichnet, dass

    – die genannte elektronische Steuerung (80) so eingestellt werden kann, dass der Motor mit Synchrongeschwindigkeit läuft, wobei der Mikroprozessor Signale von einer Sychronisierungsvorrichtung (85) empfängt, die die Spannungsfrequenz der Hauptleitung angibt und in Übereinstimmung mit den genannten empfangenen Signalen die genannten Schaltelemente (S1, S2) steuert, so dass eine auf die Hauptleitungsspannung blockierte Wechselspannung auf die Statorwicklungen angelegt wird.
  2. Ein Elektromotor (100) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Aufnahmelemente einen optischen Sensor (81) umfassen, der die Position des genannten Rotors feststellen kann.
  3. Ein Elektromotor (100) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte optische Sensor (81) auf eine Platte (70) montiert ist, die einteilig mit dem Gehäuse (10) ist und die Form einer Gabel aufweist, mit zwei Armen, die einen Zwischenraum (82), einen Sender und einen Empfänger bilden, die jeweils an den genannten Armen vorgesehen sind, und dort ein Schirm (60) einteilig an dem genannten Rotor (30) montiert ist, der mindestens eine Abschirmfläche (61) umfasst, die durch den Zwischenraum des genannten gabelförmigen Sensors durchgehen kann, wenn der genannte Rotor sich in der Umdrehung befindet.
  4. Ein Elektromotor (100) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Aufnahmeelemente einen Magnetsensor umfassen, der in der Lage ist, das durch den Rotor (30) erzeugte Mengetfeld festzustellen.
  5. Ein Elektromotor (100) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Magnetsensor ein Hallsensor ist.
  6. Ein Elektromotor (100) gemäß einem beliebigen der vorausgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Schaltelemente mindestens zwei Feldeffekttransistoren (S1, S1) sind.
  7. Ein Elektromotor (100) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten mindestens zwei Feldeffekttransistoren (S1, S1) MOSFET-Transistoren sind.
  8. Ein Elektromotor (100) gemäß einem beliebigen der vorausgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte gleichrichtende Eingangsstufe einen Gleichrichter (84) umfasst, der zwei Dioden (D1, D2) einschließt.
  9. Ein Elektromotor (100) gemäß Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Glättungszwischenstufe zwei Glättungskondensatoren (C1, C2) umfasst.
  10. Ein Elektromotor (100) gemäß einem beliebigen der vorausgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Synchronisierungsvorrichtung eine Vorrichtung (85) zur Feststellung der Nulldurchgänge der Hauptleitungsspannung umfasst.
  11. Ein Elektromotor (100) gemäß einem beliebigen der vorausgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Synchronmotor mit einem Permanentmagnetrotor (30) ist.
  12. Ein Elektromotor (100) gemäß einem beliebigen der vorausgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte elektronische Steuerung (80) ein Rotorsperrverfahren implementiert, das folgende Schritte umfasst:

    – Feststellung der Zahl der Umdrehungen des Rotors durch die genannten Aufnahmeelemente (81) und Speicherung der festgestellten Umdrehungszahl in einer Veriablen des Mikroprozessors (83);

    – Vergleich der festgestellten Umdrehungszahl mit einem vorbestimmten Schwellenwert, unterhalb dessen der Motor vermutlich blockiert ist, so dass, falls die festgestellte Umdrehungszahl niedriger als der voreingestellte Schwellenwert sein sollte, die Speisung des Motors unterbrochen werden kann, um eine eventuelle Statorbeschädigung zu verhindern, bezw. im Fall einer versehentlichen Blockierung ein erneuter Anlassversuch unternommen werden kann.
  13. Ein Elektromotor (100) gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Rotorsperrungsverfahren ebenfalls den Schritt des Vergleichs der Anzahl von Anlassversuchen des Motors mit einer voreingestellen Schwellenzahl umfasst, so dass, falls die Anzahl der durchgeführten Anlassversuche unter der voreingestellten Schwellenzahl liegt, ein neuer Versuch, den Motor anzulassen, durchgeführt wird, und, falls sie über der voreingestellten Zahl liegt, der Mikroprozessor sich auf einen Pausenzustand stellt, in dem er keine Befehle erhalten kann und den er durch Neueinstellung der elektronischen Steuerung verlassen kann.
  14. Ein Elektromotor (100) gemäß einem beliebigen der vorausgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte elektronische Steuerung (80) so eingestellt werden kann, dass der Motor mit freier Geschwindigkeit läuft, wobei der Mikroprozessor (83) die Schalter (S1, S2) mit der maximal verfügbaren Spannung steuert, bis der Rotor die Höchstgeschwindigkeit erreicht, die durch das Gleichgewicht zwischen dem Antriebsdrehmoment und dem Gegenmoment gegeben wird.
  15. Ein Elektromotor (100) gemäß einem beliebigen der vorausgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte elektronische Kontrolle (80) so eingestellt werden kann, dass der Motor mit gesteuerter Geschwindigkeit läuft, wobei der Bediener eine gewünschte Geschwindigkeit einstellt, mit der der Rotor sich drehen soll und der Mikroprozessor (83) die Schalter (S1, S2) mit variabler Spannung steuert, bis die Rotorgeschwindigkeit jeweils die genannte, durch den Bediener eingestellte Geschwindigkeit erreicht hat.
Es folgen 5 Blatt Zeichnungen






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