DE19527981A1 - Electronically commutated electric motor, such as switched reluctance (SR) drive motor for motor vehicles, washing machines, lawn mowers etc - has magnetic field sensitive element for each phase of motor arranged at small distance from pole wheels - Google Patents
Electronically commutated electric motor, such as switched reluctance (SR) drive motor for motor vehicles, washing machines, lawn mowers etc - has magnetic field sensitive element for each phase of motor arranged at small distance from pole wheelsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen elektronisch kommutierten Elektromotor, insbesondere einen geschalteten Elektromotor der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.The invention relates to an electronically commutated Electric motor, in particular a switched electric motor the type specified in the preamble of claim 1.
Reluktanzmotoren benötigen zur genauen Steuerung der Kommutierungswinkel einen Positionsgeber, der die Rotor position im Verhältnis zur Statorposition ermittelt, damit die Ansteuerelektronik die jeweilige Phase richtig an steuert.Reluctance motors require precise control of the Commutation angle a position encoder that the rotor position determined in relation to the stator position, so the control electronics the respective phase correctly on controls.
Der Positionsgeber kann entweder die aligned-Position, wenn Rotorpole und Statorpole einander gegenüberliegen, oder die unaligned-Position, wenn Rotorpolkanten und Statorpolkanten einander gegenüberliegen, anzeigen. Die Steuerelektronik errechnet nach diesem Punkt die jeweilig (nach Last/Strom/Drehzahl) gewünschten Kommutierungswinkel. Dabei werden an die Genauigkeit des Gebers hohe Anforderungen gestellt, wenn der SR-Motor bezüglich Drehmoment, Drehmomentwelligkeit, Drehzahlkonstanz, Geräusch und Wirkungsgrad optimal gesteuert werden soll. So liegt die Genauigkeitsanforderung für die Positionierung bei einem derartigen Motor bei etwa 0,1 Grad.The position encoder can either be the aligned position, if Rotor poles and stator poles face each other, or the unaligned position if rotor pole edges and stator pole edges face each other, show. The control electronics calculates the respective (after Load / current / speed) desired commutation angle. Here high demands are placed on the accuracy of the encoder if the SR motor has torque, Torque ripple, constant speed, noise and Efficiency should be optimally controlled. That's the way it is Accuracy requirement for positioning at one such engine at about 0.1 degrees.
Für den Einsatz eines SR-Motors in rauher Umgebung, z. B. im Motorraum eines Kraftfahrzeuges, ist nur ein robustes Gebersystem möglich, wie es z. B. ein Hallschalter in Verbindung mit einem rotierenden Magnet oder einem rotierenden Blech darstellt. Derartige Systeme sind bereits als berührungslose Unterbrecherkontakte in Zündsystemen von Kraftfahrzeugen bekannt, wobei ein geschlitztes Polrad durch eine Magnetgabelschranke geführt wird. Hierbei ist allerdings von Nachteil, daß für eine hohe Genauigkeit der Schaltpunkte ein entsprechend großer Radius des Polrades benötigt wird. Für die SR-Motoren und die vorgegebene Genauigkeit des Sensorsystems würde das Polrad wesentlich größer als der Durchmesser des Motors sein.For the use of an SR engine in harsh environments, e.g. B. in the engine compartment of a motor vehicle is only a robust one Encoder system possible, as z. B. a Hall switch in Connection with a rotating magnet or a represents rotating sheet. Such systems are already in place as contactless interrupter contacts in ignition systems from Motor vehicles known, a slotted magnet wheel is passed through a magnetic fork barrier. Here is disadvantageous, however, that for high accuracy Switching points a correspondingly large radius of the magnet wheel is needed. For the SR engines and the specified one Accuracy of the sensor system would make the magnet wheel essential be larger than the diameter of the motor.
Ein anderes bekanntes System bilden die Gear-Tooth- Sensoren, die als Differentialhallsensoren ausgeführt und den Wechsel zwischen magnetisch leitendem Material und Luft sensieren. Hierbei wird ein Zahnrad radial abgetastet. Eine derartige Vorrichtung ist als Sensorsystem für SR-Motoren auch weniger geeignet, da im Stillstand des Motors keine Positionserkennung möglich ist. Somit kann der Anlauf des SR-Motors auch nicht über das Gebersignal erfolgen.Another known system is the gear tooth Sensors designed as differential Hall sensors and the change between magnetically conductive material and air sense. Here, a gear wheel is scanned radially. A such device is as a sensor system for SR engines also less suitable, since none when the engine is stopped Position detection is possible. Thus the start of the SR motors also do not take place via the encoder signal.
Das einfachste System zur Positionserkennung besteht aus einem mehrpoligen radial am Umfang magnetisierten Magnetring, der ausgerichtet zu den Rotorpolen auf der Rotorwelle befestigt ist, und einem Hallschalter für jede Phase des SR-Motors,der zu den Statorpolen ausgerichtet ist und in geringem Abstand über den Magnetring liegt. Dieses ermöglicht auch den Bau eines SR-Motors mit kleinen Abmessungen.The simplest system for position detection consists of a multipolar magnetized radially on the circumference Magnetic ring that is aligned with the rotor poles on the Rotor shaft is attached, and a Hall switch for each Phase of the SR motor aligned with the stator poles and lies a short distance above the magnetic ring. This also allows the construction of an SR engine with small Dimensions.
Hierbei wird ein genauer Schaltpunkt durch den steilen Nulldurchgang dadurch erzielt, daß der Fluß des Magneten entsprechend hoch, z. B. 10 mT gewählt wird. Damit ist das System relativ temperaturunabhängig und die Serienstreuung der Schaltpunkte sowie eine Schalthysterese führen zu keinen wesentlichen Fehlern.Here, an exact switching point is due to the steep Zero crossing achieved in that the flux of the magnet correspondingly high, e.g. B. 10 mT is selected. That’s it System relatively independent of temperature and the series spread the switching points and a switching hysteresis lead to no major mistakes.
Bei diesem System können aber Fehler in der Magnetisierung des Magnetringes und in der Positionierung des Hallschalters auftreten. So läßt die Magnetisierung des Magnetringes bei einem Durchmesser von z. B. 27 mm nur eine Genauigkeit von +1.5 Grad zu. Die Ursachen hierfür sind die Toleranzen bei der Anfertigung der Magnetisierungsform und eventuelle Inhomogenitäten im Magnetmaterial.With this system there can be errors in the magnetization of the magnetic ring and in the positioning of the Hall switch occur. So the magnetization of the Magnetic rings with a diameter of z. B. 27 mm only one Accuracy of +1.5 degrees too. The reasons for this are the tolerances when making the magnetization form and possible inhomogeneities in the magnetic material.
Der Erfindung liegt die Aufgabe, einen elektronisch kommutierten Elektromotor, insbesondere einen geschalteten Reluktanzmotor zu schaffen, der auf einfache und auch bei rauhem Betriebseinsatz sichere Weise die Drehung des Rotors und gegebenenfalls die jeweilige Drehzahl bzw. den jeweiligen Drehwinkel erfaßt, die einer nachfolgenden Aus werte- und/oder Regelschaltung sicher zugeführt werden können. Hierbei soll das Kommutieren eines Reluktanzmotors mit einer Genauigkeit besser 0,5 Grad Winkelabweichung gewährleistet sein. Diese Aufgabe wird durch die Lehre des Patentanspruchs 1 gelöst.The object of the invention is an electronic one commutated electric motor, especially a switched one Reluctance motor to create the simple and also at rough operation safe way of rotating the rotor and, if applicable, the respective speed or respective angle of rotation detected that a subsequent off value and / or control circuit can be safely supplied can. The aim is to commutate a reluctance motor with an accuracy better than 0.5 degrees angular deviation to be guaranteed. This task is accomplished through the teaching of Claim 1 solved.
Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Elektromotors, insbesondere des Reluktanzmotors besteht in der optimalen Kommutierungssteuerung, wodurch die SR-Motoren anderen Motoren leistungsmäßig überlegen sind und ein Geräuschverhalten aufweisen, das dem von Asynchronmaschinen sehr nahe kommt.The particular advantage of the electric motor according to the invention, the reluctance motor in particular is the optimal one Commutation control, which makes the SR motors different Motors are superior in performance and one Have noise behavior that of asynchronous machines comes very close.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungs gegenstandes sind den weiteren Unteransprüchen zu entnehmen.Further advantageous refinements of the invention subject are the further subclaims remove.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen im folgenden näher erläutert. Es zeigen:The invention is based on exemplary embodiments in following explained in more detail. Show it:
Fig. 1 einen Schnitt durch einen SR-Motor, Fig. 1 shows a section through a SR motor,
Fig. 2 einen Schnitt durch einen Magnetring, Fig. 2 shows a section through a magnet ring,
Fig. 3 einen 2-poligen, axial magnetisierten Magnetring mit zwei Polrädern in Seitenansicht, Fig. 3 is a 2-pole, axially magnetized ring magnet with two pole wheels in side view,
Fig. 4 den Magnetring gemäß Fig. 3 im Querschnitt, Fig. 4 shows the magnetic ring according to Fig. 3 in cross section,
Fig. 5 eine Einzelheit aus Fig. 3, Fig. 5 is a detail of Fig. 3,
Fig. 6 eine zweite Ausführungsform eines Magnetringes in Seitenansicht, Fig. 6 shows a second embodiment of a magnetic ring, in side view,
Fig. 7 einen Querschnitt durch den Magnetring gemäß Fig. 6, Fig. 7 is a cross-sectional view of the magnetic ring according to Fig. 6,
Fig. 8 einen mehrpolig radial am Umfang magnetisierten Magnetring und Fig. 8 is a multipole radially magnetized magnetic ring and
Fig. 9 eine Sensorhalterung. Fig. 9 is a sensor holder.
Die Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen kollektorlosen Gleichstrommotor, der elektronisch kommutiert wird und insbesondere aus einem geschalteten Reluktanzmotor 1 besteht. Dieser Reluktanzmotor 1 wird im folgenden als SR-Motor 1 bezeichnet und ist als Antriebsmotor in Kraftfahrzeugen, Waschmaschinen, Rasenmähern und in sonstigen elektrisch anzutreibenden Motoren vorteilhaft einsetzbar, wobei dieser ein topfförmiges Motorgehäuse 3 und einen in diesem fest angeordneten Stator 5 aufweist. Ferner sind ein Statorblechpaket 7 sowie Statorspulen 9 vorgesehen, welche um das Statorblechpaket gewickelt sind. Der SR-Motor 1 weist ferner einen Rotor 11 auf, dessen Rotorwelle 12 innerhalb des Gehäuses 3 mit einem Paar von Lagern 13, 15 drehbar gelagert ist. Hierbei sind das Lager 17 in dem Boden 19 des topfförmigen Motorgehäuses 3 und das Lager 15 in einer Lageraufnahme 21 des die Öffnung 23 des topfförmigen Motorgehäuses 3 verschließenden Lagerschildes 25 angeordnet. Fig. 1 shows a section through a brushless DC motor which is electronically commutated and consists in particular of a switched reluctance motor 1. This reluctance motor 1 is referred to below as SR motor 1 and can advantageously be used as a drive motor in motor vehicles, washing machines, lawn mowers and in other motors to be driven electrically, said motor having a pot-shaped motor housing 3 and a stator 5 fixedly arranged therein. Furthermore, a stator laminated core 7 and stator coils 9 are provided, which are wound around the stator laminated core. The SR motor 1 also has a rotor 11 , the rotor shaft 12 of which is rotatably mounted within the housing 3 with a pair of bearings 13 , 15 . Here, the bearing 17 is arranged in the bottom 19 of the cup-shaped motor housing 3 and the bearing 15 in a bearing receptacle 21 of the bearing plate 25 closing the opening 23 of the cup-shaped motor housing 3 .
Der SR-Motor 1 weist weiterhin eine Vorrichtung zur Rotorlage-, Drehzahl- und /oder Drehrichtungserfassung auf, die wenigstens mit einem magnetfeldsensitiven Element versehen ist, das zur Erfassung von rotorlageabhängigen Schwankungen des magnetischen Flusses am Stator des Motors 1 befestigt ist, wobei elektronische Mittel zur Ansteuerung der Signale dieses magnetfeldsensitiven Elementes vorgesehen sind.The SR motor 1 furthermore has a device for detecting the rotor position, speed and / or direction of rotation, which is provided with at least one magnetic field-sensitive element which is attached to the stator of the motor 1 for detecting rotor position-dependent fluctuations in the magnetic flux, electronic means are provided to control the signals of this magnetic field sensitive element.
Gemäß Fig. 1 ist auf der Rotorwelle 12 ein Polrad 27 befestigt angeordnet, dessen zylindrische Mantelfläche 29 mehrpolig radial magnetisiert ist. Dieses Polrad 27 ist durch ein magnetfeldsensitives Element für jede Phase des Elektromotors abtastbar, welches zu den Statorpolen ausgerichtet ist und in geringem Abstand zu der Mantelfläche 29 des Polrades 27 liegt. Das Polrad 27 weist gemäß den Fig. 2 und 8 einen Magnetring 31 auf, welcher mittels einer Lagerbuchse 33 gemäß Fig. 2 auf der Rotorwelle 12 fest angeordnet ist und an den Polübergangsstellen gemäß Fig. 8 mit Längsschlitzen 35, 37, 39, 41, 41, 45, 47, 49 versehen ist.Referring to FIG. 1, a magnet wheel 27 is arranged mounted on the rotor shaft 12, the cylindrical outer surface is magnetized, multi-pole radial 29th This magnet wheel 27 can be scanned by a magnetic field-sensitive element for each phase of the electric motor, which element is aligned with the stator poles and is at a short distance from the lateral surface 29 of the magnet wheel 27 . The tone wheel 27 comprises according to FIGS. 2 and 8, a magnet ring 31, which is fixedly disposed by means of a bearing bush 33 according to FIG. 2 on the rotor shaft 12 and, at the Polübergangsstellen of FIG. 8 with longitudinal slots 35, 37, 39, 41 41 , 45 , 47 , 49 is provided.
Die Längsschlitze 35, 37, 39, 41, 43, 45, 47, 49 des Polrades 27 sind breiter ausgebildet als die möglichen Fehler der Magnetisierungsvorrichtungen.The longitudinal slots 35 , 37 , 39 , 41 , 43 , 45 , 47 , 49 of the magnet wheel 27 are wider than the possible errors of the magnetization devices.
Der Magnetring 32 ist z. B. gemäß den Fig. 6 und 7 nicht unmittelbar mit Längsschlitzen versehen, sondern weist auf seinem Außenumfang 34 eine Kappe 51 mit in deren Mantelfläche 52 ausgebildeten Längsschlitzen 54 aus magnetisch leitendem Blech auf. Hierdurch wird der Fluß im Blech geführt und an den Schlitzen 54 wird ein exakter Polübergang geschaffen. Das Blech der Kappe 51 kann aus einer Sinterlegierung mit guten magnetischen Eigenschaften bestehen. Wichtig ist bei dieser Ausführungsform, daß die aus Blech bestehende Kappe 51 gut am Magnetring 32 anliegt.The magnetic ring 32 is e.g. B. according to FIGS. 6 and 7 not directly provided with longitudinal slots, but has on its outer circumference 34 a cap 51 with longitudinal slots 54 formed in its lateral surface 52 and made of magnetically conductive sheet metal. As a result, the flow is guided in the sheet and an exact pole transition is created at the slots 54 . The sheet of the cap 51 can consist of a sintered alloy with good magnetic properties. It is important in this embodiment that the cap 51 , which is made of sheet metal, lies well against the magnetic ring 32 .
Der Magnetring 32 des Polrades 27 besteht vorzugsweise aus einem Kunststoffmagneten, auf welchem die Kappe 51 mittels eines Preßsitzes befestigt ist.The magnetic ring 32 of the magnet wheel 27 preferably consists of a plastic magnet, on which the cap 51 is attached by means of a press fit.
Gemäß den Fig. 3-5 ist ein 2-polig, axial magnetisierter Magnetring 53 von zwei topfförmig ausgebildeten Polrädern 55, 57 umgeben, welche wechselseitig auf der Süd- und auf der Nordpolseite übergestülpt auf dem Magnetring 53 angeordnet sind. Hierbei bestehen die Mantelflächen der beiden Polräder 55, 57 aus Zähnen 59, 60 und Zahnlücken 61, 62, wobei die Zähne 59, 60 des einen Polrades 55, 57 jeweils in die Zahnlücken 61, 62 des anderen Polrades 57, 55 eingreifen. Die Zähne 59, 60 bilden zueinander Schlitze 63, 65, derart, daß zwischen zwei unterschiedlichen Polen die für das magnetfeldsensitive Element notwendigen Polübergänge auf einfache Weise geschaffen werden. Die Polräder 55, 57 bestehen aus magnetisch leitendem Blech oder aus einer Sinterlegierung mit guten magnetischen Eigenschaften.Referring to FIGS. 3-5 is a 2-pole, axially magnetized magnet ring 53 by two cup-shaped pole wheels 55, surround 57, which are mutually imposed on the south and north pole on the side disposed on the magnetic ring 53. Here, the lateral surfaces of the two pole wheels 55 , 57 consist of teeth 59 , 60 and tooth spaces 61 , 62 , the teeth 59 , 60 of one pole wheel 55 , 57 each engaging in the tooth spaces 61 , 62 of the other pole wheel 57 , 55 . The teeth 59 , 60 form slots 63 , 65 with respect to one another such that the pole transitions required for the magnetic field-sensitive element are created in a simple manner between two different poles. The pole wheels 55 , 57 consist of magnetically conductive sheet metal or a sintered alloy with good magnetic properties.
Das magnetfeldsensitive Element kann vorteilhaft aus einem Hall-Schalter 10 bestehen. Dieser Hallschalter 10 kann ein unipolarer Hallschalter sein, welcher bei Erreichen einer geringen Flußdichte z. B. 8 mT und einer bestimmten Flußrichtung z. B. Süd einschaltet und bei Abfallen der Flußdichte z. B. 10 mT wieder ausschaltet.The magnetic field sensitive element can advantageously consist of a Hall switch 10 . This Hall switch 10 can be a unipolar Hall switch, which, for example, when a low flux density is reached. B. 8 mT and a certain flow direction z. B. turns on south and when the flux density drops z. B. switches off 10 mT again.
Wenn der Nordpol des Magneten vorbei läuft, bleibt der Hallschalter (Sensor) ausgeschaltet.If the north pole of the magnet runs past, it stays Hall switch (sensor) switched off.
Der Hallschalter 10 kann aber auch aus einem bipolaren Hallschalter bestehen, welcher bei Erreichen einer einer geringen Flußdichte einschaltet, aber erst bei Erreichen dieses Wertes in umgekehrter Richtung (also Nordpol) wieder ausschaltet.The Hall switch 10 can also consist of a bipolar Hall switch, which switches on when a low flux density is reached, but only switches off again when this value is reached in the opposite direction (ie north pole).
In der Fig. 9 ist ein halbringförmiger Sensorhalter 73 dargestellt, der an dem Stator 11 befestigt ist und mit drei Hallschaltern 67, 69, 71 bestückt ist.In FIG. 9, a semi-annular sensor holder 73 is shown, which is secured to the stator 11 and is equipped with three Hall switches 67, 69, 71.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8181 | Inventor (new situation) |
Free format text: OLTMANNS, KARL-HEINZ, 26123 OLDENBURG, DE LINDIG, CHRISTIAN, 26188 EDEWECHT, DE |
|
| 8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
| 8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: FHP MOTORS GMBH, 26133 OLDENBURG, DE |
|
| 8131 | Rejection |