AT512002B1 - Motorregelung für einen synchronmotor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Motorregelung (8; 22) für einen Synchronmotor (1), der eine Anzahl von N zueinander versetzt angeordneten Statorspulen (7) aufweist, die um einen Rotor (4) des Synchronmotors (1) angeordnet sind, wobei den Statorspulen (7) von der Motorregelung (8; 22) eine Spulenspannung (US) einprägbar ist und sich ein Spulenstrom (IS) ausbildet, der in einem proportional mit der Drehzahl des Synchronmotors (1) rotierenden Koordinatensystem eine Direktstromkomponente (ID; IDW) und eine Querstromkomponente (IQ) aufweist, wobei die Querstromkomponente (IQ) eine den Rotor (4) in Drehrichtung antreibende Tangentialkraft (FT) bewirkt und wobei die Direktstromkomponente (ID) eine Kraft (FR) senkrecht zur Rotoroberfläche auf den Rotor (4) bewirkt, wobei die Motorregelung (8; 22) einen Direktstrom-Generator (20) zur Erzeugung einer in dem rotierenden Koordinatensystem periodisch wechselnden Direktstromkomponente (IDW) aufweist, um durch die senkrecht zur Rotoroberfläche erzeugte Kraft (FR) Schwingungen des mit der Motorregelung (8; 22) angetriebenen Synchronmotors (1) auszugleichen, wobei der Direktstrom-Generator zum Auswerten von zumindest einer Winkelinformation und einem Regelquerstrom ausgebildet ist.

Description

österreichisches Patentamt AT 512 002 2014-02-15

Beschreibung

MOTORREGELUNG FÜR EINEN SYNCHRONMOTOR

[0001] Die Erfindung betrifft eine Motorregelung für einen Synchronmotor, der eine Anzahl von N zueinander versetzt angeordneten Statorspulen aufweist, die um einen Rotor des Synchronmotors angeordnet sind, wobei den Statorspulen von der Motorregelung eine Spulenspannung einprägbar ist und sich ein Spulenstrom ausbildet, der in einem proportional mit der Drehzahl des Synchronmotors rotierenden Koordinatensystem eine Direktstromkomponente und eine Querstromkomponente aufweist, wobei die Querstromkomponente eine den Rotor in Drehrichtung antreibende Tangentialkraft bewirkt und wobei die Direktstromkomponente eine Kraft senkrecht zur Rotoroberfläche auf den Rotor bewirkt.

[0002] Die Erfindung betrifft weiters ein Verfahren zur Regelung eines Synchronmotors bei dem eine Spulenspannung in eine Anzahl von N zueinander versetzt angeordneten Statorspulen, die um einen Rotor des Synchronmotors angeordnet sind, einprägt wird und sich ein Spulenstrom ausbildet, wobei der Spulenstrom in einem proportional mit der Drehzahl des Synchronmotors rotierenden Koordinatensystem eine Direktstromkomponente und eine Querstromkomponente aufweist und wobei die Querstromkomponente eine den Rotor in Drehrichtung antreibende Tangentialkraft bewirkt und wobei die Direktstromkomponente eine Kraft senkrecht zur Rotoroberfläche auf den Rotor bewirkt.

[0003] Das Dokument DE 10 2008 023 574 A1 offenbart eine Umwälzpumpe samt Elektromotor, der durch einen Kugelmotor gebildet ist, wobei Kugelmotor als ein Motor mit halbkugelförmigem Rotor zu verstehen ist. Der Rotor des Kugelmotors ist an einem sphärischen Lager gelagert, welches einen Gleitkörper mit konvexer sphärischer Oberfläche und eine Lagerpfanne mit konkaver sphärischer Oberfläche aufweist. Der Rotor umfasst mehrere Permanentmagnete und der Stator umfasst mehrere zueinander versetzt angeordnete Statorspulen. Der in diesem Dokument offenbarte Kugelmotor wird von einer Motorregelung als Synchronmotor angesteuert.

[0004] Eine solche Motorregelung für Synchronmotoren ist beispielsweise in dem integrierten Schaltkreis mit der Typenbezeichnung STM32 der Firma STMicroelectronics bekannt. Die bekannte Motorregelung weist eine feldorientierte Regelung auf, bei der Statorspulen von der Motorregelung ein Spulenstrom eingeprägt wird, der in einem mit der Drehzahl des Synchronmotors rotierenden Koordinatensystem eine Direktstromkomponente und eine Querstromkomponente aufweist. Die Querstromkomponente ist in Fachkreisen als „quadrature axis compo-nent" bekannt und erzeugt entsprechend der Lorentzkraftregel eine Tangentialkraft, die tangential zu dem Umfang des Kugelmotors wirkt und hierdurch den Kugelmotor in Drehrichtung rotierend antreibt. Die bekannte Motorregelung steuert den Kugelmotor mit der Querstromkomponente entsprechend der gewünschten Drehzahl des Kugelmotors an.

[0005] Die Direktstromkomponente ist in Fachkreisen als „direct axis component" bekannt und erzeugt entsprechend der Lorentzkraftregel eine Kraft senkrecht zur Rotoroberfläche des Rotors. Die bekannte Motorregelung steuert den Kugelmotor mit einer Direktstromkomponente mit konstanter Amplitude an, um eine Schwächung des Magnetfeldes bei hohen Drehzahlen des Kugelmotors zu erreichen. Dies ist notwendig, da der permanentmagneterregte Synchronmotor bei hohen Drehzahlen auch hohe Spannungen (EMK) an seinen Klemmen induziert. Wenn die induzierte Spannung gleich groß wie die Versorgungsspannung ist, dann kann der Synchronmotor nicht mehr schneller werden, selbst wenn das Lastmoment annähernd null ist. Durch Feldschwächung kann man erreichen, dass die induzierte Spannung an den Motorklemmen verringert wird, wodurch sich die maximale Drehzahl erhöht. Da diese Maßnahme jedoch den Wirkungsgrad reduziert, wird sie nur in speziellen Fällen angewandt.

[0006] Bei dem mit der bekannten Motorregelung angetriebenen Kugelmotor hat sich in der Praxis gezeigt, dass es zu mechanischen Schwingungen kommen kann, die durch mechanische, elektrische oder magnetische Unsymmetrien des Elektromotors und/oder der Pumpe bedingt sind. Mechanische Unsymmetrien können beispielsweise durch eine Unwucht des 1 /12 österreichisches Patentamt AT 512 002 2014-02-15

Rotors oder eines Pumpenlaufrades, einer nicht idealen konzentrischen Lage zwischen Rotor und Stator aufgrund von Bauteiltoleranzen oder aufgrund von betriebsbedingten Verschleißerscheinungen der Lager resultieren. Elektromagnetische Asymmetrien des Statorfeldes können beispielsweise wegen der Toleranz der einzelnen Spulen, insbesondere bei deren Anordnung innerhalb des Stators und aufgrund geringfügig unterschiedlicher Spulenwicklungslängen, entstehen. Magnetische Asymmetrien können bei Rotoren mit Permanentmagneten entstehen, die durch ein unsymmetrisches magnetisches Feld der hergestellten Permanentmagnete bedingt sind. Diese Schwingungen können beispielsweise bei Verwendung des Kugelmotors als Heizungs-Umwälzpumpe über die Heizungsleitungen auf das gesamte Heizungssystem übertragen werden und zu störenden Geräuschen im ganzen Haus führen. Aber auch bei anderen mit der bekannten Motorsteuerungen angetriebenen Synchronmotoren, wie beispielsweise bei Elektromotoren mit zylindrischem Rotor, wo sich die Kräfte theoretisch aufheben haben sich mechanische Schwingungen durch die sich aufgrund der Krafteinwirkung ergebende elastische Deformation und einen geringfügig nicht-idealen rotationssymmetrischen Aufbau des Synchronmotors ergeben.

[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Motorregelung für einen Synchronmotor zu schaffen, die mechanischen Schwingungen des Synchronmotors gezielt entgegenwirkt, um diese zu minimieren und hierdurch die von dem Synchronmotor abgegebenen Schwingungen und Geräusche deutlich zu reduzieren.

[0008] Diese Aufgabenstellung wird bei einer Motorregelung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Motorregelung einen Direktstrom-Generator zur Erzeugung einer in dem rotierenden Koordinatensystem periodisch wechselnden Direktstromkomponente aufweist, um durch die senkrecht zur Rotoroberfläche erzeugte Kraft Schwingungen des mit der Motorregelung angetriebenen Synchronmotors auszugleichen, wobei der Direktstrom-Generator zum Auswerten von zumindest einer Winkelinformation und einem Regelquerstrom ausgebildet ist und, wobei die Motorregelung zur Regelung eines Motors mit halbkugelförmigen Rotor optimiert ist.

[0009] Diese Aufgabenstellung wird bei einem Verfahren zur Regelung eines Synchronmotors erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine in dem rotierenden Koordinatensystem periodisch wechselnde Direktstromkomponente erzeugt und durch Einprägen der Spulenspannung vorgegeben wird, um durch die senkrecht zur Rotoroberfläche wirkende Kraft Schwingungen des mit der Motorregelung angetriebenen Synchronmotors auszugleichen, wobei zum Erzeugen der geeigneten periodisch wechselnden Direktstromkomponente zumindest eine Winkelinformation und ein Regelquerstrom ausgewertet werden und, wobei die Motorregelung zur Regelung eines Kugelmotors verwendet wird.

[0010] Durch das Vorsehen des Direktstrom-Generators zur Erzeugung einer mit dem rotierenden Koordinatensystem periodisch wechselnden Direktstromkomponente ist der Vorteil erhalten, dass mittels der Direktstromkomponente durch senkrecht zu der Rotoroberfläche wirkende Kräfte elektromagnetisch Schwingungen des Rotors angeregt werden, die den unerwünschten mechanischen Schwingungen entgegenwirken und sie idealerweise zur Gänze kompensieren. Als besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, einen mit der Motorregelung anzutreibenden Synchronmotor durch Anbringen von mechanischen Sensoren zu vermessen, um die bei dem speziellen Synchronmotor tatsächlich auftretenden mechanischen Schwingungen zu ermitteln. Dieses Messergebnis wird in Folge als Anpassungsinformation in Form von Parametern in Anpassungsmittel der Motorsteuerung eingespeichert. Diese Parameter beeinflussen die Amplitude, Phase und Frequenz der von der Motorsteuerung an den speziellen Synchronmotor abzugebenden Direktstromkomponente. Hierdurch ist der Vorteil erhalten, dass die Motorsteuerung an die unerwünschten mechanischen Schwingungen eines bestimmten von der Motorsteuerung anzutreibenden Synchronmotors angepasst werden kann, wodurch eine besonders gute Unterdrückung der unerwünschten mechanischen Schwindungen durch die gegengepolten elektromechanisch erzeugten Schwingungen erreicht wird.

[0011] Es sei erwähnt, dass sich bei einem Synchronmotor mit zylindrischem Rotor und idealsymmetrischem Aufbau die durch die Direktstromkomponente erzeugten Radialkräfte gegensei- 2/12 österreichisches Patentamt AT 512 002 2014-02-15 tig aufheben. Auch wenn sich diese pulsierenden Kräfte in der Summe aufheben führen sie doch zu einer Schwingung zwischen Rotor und Stator quasi im „Luftspalt" die zu Geräuschen führt. Auch kleine oder größere Unsymmetrien im Rotor oder Stator führen zu Schwingungen. Deshalb hat die Praxis gezeigt, dass der beschriebene Kompensations-Effekt auch bei Synchronmotoren mit zylindrischem Rotor erzielbar ist.

[0012] Es sei weiters erwähnt, dass das Dokument EP 2 019 473 A1 eine Motorregelung für einen großen Motor eines Kraftfahrzeuges mit zylindrischem Rotor offenbart. Die erfindungsgemäße Motorregelung kann aber besonders vorteilhaft bei Kugelmotoren mit halbkugelförmigem Rotor eingesetzt werden. Solche Kugelmotoren werden in einem gänzlich anderen Fachgebiet als Kleinmotoren (beispielsweise für Heizungs-Umwälzpumpen) verwendet und zeichnen sich dadurch aus, dass selbst dann, wenn der Rotor des Kugelmotors ideal rotationssymmetrisch aufgebaut ist, sich die durch die Direktstromkomponenten bewirkten Radialkräfte nicht aufheben.

[0013] Als besonders vorteilhaft hat sich jedoch erwiesen, die erfindungsgemäße Motorsteuerung zur Steuerung eines Kugelmotors einzusetzen. Dadurch, dass der Rotor eines Kugelmotors asymmetrisch aufgebaut ist, heben sich selbst bei einem ideal rotationssymmetrisch aufgebauten Rotor des Kugelmotors die durch die Direktstromkomponenten bewirkten Radialkräfte nicht auf und können somit sehr effektiv zur Kompensation der unerwünschtenmechanischen Schwingungen des Kugelmotors eingesetzt werden.

[0014] Der vorstehend beschriebene Kompensations-Effekt kann auch dadurch erzielt werden, dass ein Direktspannungs-Generator anstatt des Direktstrom-Generators vorgesehen ist. Der Direktspannungs-Generator kann nunmehr durch Erzeugung einer in dem rotierenden Koordinatensystem periodisch wechselnden Direktspannungskomponente ebenfalls die Schwingungen des mit der Motorregelung angetriebenen Synchronmotors ausgleichen, da sich durch gezielte Spannungsvorgabe der gewünscht Direktstrom einstellt, wie dies oben beschrieben wurde. Somit ergibt sich, dass sich sowohl bei der Ausführung mit einem Direktstrom-Generator als auch bei der Ausführung mit einem Direktspannungs-Generator eine periodisch wechselnde Direktstromkomponente einstellt, um durch den Elektromotor und/oder die Pumpe bedingte Schwingungen zu kompensieren.

[0015] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Motorsteuerung werden im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.

[0016] Figur 1 zeigt eine Explosionszeichnung eines Kugelmotors, der mit einer Motorregelung gemäß Figur 5 oder gemäß Figur 6 als Synchronmotor angesteuert wird.

[0017] Figur 2 zeigt die Permanent-Magnetfeldausprägung des Rotors eines Kugelmotors der vierpolig magnetisiert ist.

[0018] Figur 3 zeigt symbolisch auf den Rotor des Kugelmotors einwirkende Kräfte, wenn eine

Querstromkomponente in die Statorspule eingeprägt wird.

[0019] Figur 4 zeigt symbolisch auf den Rotor des Kugelmotors einwirkende Kräfte, wenn eine

Direktstromkomponente in die Statorspule eingeprägt wird.

[0020] Figur 5 zeigt ein Blockschaltbild einer Motorsteuerung mit einem Direktstom-Generator.

[0021] Figur 6 zeigt ein Blockschaltbild einer Motorsteuerung mit einem Direktspannungs-

Generator.

[0022] Figur 1 zeigt eine Explosionszeichnung eines Motors mit halbkugelförmigem Rotor beziehungsweise eines Kugelmotors 1, der mit einer Motorregelung gemäß Figur 5 oder gemäß Figur 6 als Synchronmotor ansteuerbar ist. Der Kugelmotor 1 umfasst einen Elektromotor 2 mit einem Stator 3, einem Rotor 4 und einem Pumpenteil 5, in dem das Fördermedium gepumpt wird. Eine Dichtung 6 dichtet den Pumpenteil 5 mit dem Elektromotor 2 ab.

[0023] Der Rotor 4 weist mehrere Permanentmagnetelemente auf und ist als vier-poliger Permanentmagnet mit zwei Nordpolen und zwei Südpolen ausgebildet. Figur 2 zeigt die Perma- 3/12 österreichisches Patentamt AT 512 002 2014-02-15 nent-Magnetfeldausprägung des Rotor-Magnetfelds RM des Rotors 4, wobei in Figur 2 links eine Draufsicht auf den kugelförmigen Teil des Rotors 4 und in Figur 2 rechts eine Seitenansicht des Rotors 4 dargestellt ist.

[0024] Der Stator 3 des Elektromotors 2 weist N = 3 zueinander um jeweils 120 Grad versetzt angeordnete Statorspulen pro Magnetpolpaar auf, wobei in Figur 3 symbolisch eine dieser Statorspulen 7 dargestellt ist. Bei der Ansteuerung eines Motors mit einer Motorregelung als Synchronmotor wird von den Statorspulen ein proportional mit der Drehzahl des Synchronmotors rotierendes Stator-Magnetfeld MS eingeprägt, das mit dem permanenten Rotor-Magnetfeld RM zusammenwirkt und den Rotor mit der gewünschten Drehzahl antreibt. Der Einfachheit halber werden Ströme und Spannungen in den Statorspulen eines Synchronmotors in dem proportional mit der Drehzahl des Synchronmotors rotierenden Koordinatensystem beschrieben. Diese auch als Clark und Park Transformation bekannte Operation transferiert Variable eines fixen Dreiachsen-Koordinatensystem mit 120 Grad (der Winkel gilt für 3 phasige Antriebe) verdrehten Koordinaten in ein Zweiachsen-Koordinatensystem mit orthogonal aufeinander stehenden Achsen. Eine solche Clark und Park Transformation ist seit längerem bei Motorsteuerungen bekannt und in am Markt erhältlichen integrierten Schaltkreisen realisiert.

[0025] Bei einem zweipoligen Permanentmagneten im Rotor (ein Polpaar) würde das Stator-Magnetfeld und somit auch das Koordinatensystem mit der einfachen Drehzahl des Synchronmotors rotieren. Bei einem vier-poligen Rotor-Magnetfeld (zwei Polpaare), wie bei dem Rotor 4 des Kugelmotors 1, rotiert das Koordinatensystem mit dem Doppelten der Drehzahl des Synchronmotors. Dies gilt bei höheren Polzahlen entsprechend. Die Motorregelung gemäß Figur 5 prägt nunmehr in dem proportional mit der Drehzahl des Kugelmotors 1 rotierenden Koordinatensystem eine Spulenspannung US in die Statorspule 7 ein wodurch sich abhängig von den elektrischen Eigenschaften der Statorspule 7 ein Spulenstrom IS ausbildet, der eine Direktstromkomponente ID und eine Querstromkomponente IQ aufweist, wobei eine Phasenverschiebung von 90 Grad zwischen den beiden Stromkomponenten gegeben ist.

[0026] In Figur 3 bildet sich die Querstromkomponente IQ in die Statorspule 7 aus, die mit dem Rotor-Magnetfeld RM wechselwirkt. Durch diese Wechselwirkung (Lorentzkraft) zwischen Spulenstrom IS und dem Rotor-Magnetfeld RM wirkt auf den Rotor 4 des Kugelmotors 1 eine Tangentialkraft FT ein, die den Rotor 4 mit der vorgegebenen Drehzahl antreiben.

[0027] In Figur 4 bildet sich die Direktstromkomponente ID in die Statorspule 7 aus, die mit dem Rotor-Magnetfeld RM wechselwirkt. Durch diese Wechselwirkung zwischen Spulenstrom IS und dem Rotor-Magnetfeld RM wirkt auf den Rotor 4 des Kugelmotors 1 eine Kraft FR senkrecht zur Rotoroberfläche 4. Wie anhand der Seitenansicht des Rotors 4 in Figur 4 ersichtlich, addieren sich der axiale Anteil der senkrecht zur Rotoroberfläche wirkenden Kraftanteile der radialen Kräfte FR auf Grund der Asymmetrie des Rotors 4 des Kugelmotors 1 und bilden eine Axialkraft FA.

[0028] In Figur 5 ist eine Motorregelung 8 dargestellt, mit der der Kugelmotor 1 als Synchronmotor angesteuert wird, wobei die Motorregelung 8 als feldorientierte Drehmomentenregelung ausgebildet ist. Die Motorregelung 8 weist einen Spannungskonverter 9 auf, in dem ein Gleichrichter 10 und ein Dreiphasen-Inverter 11 vorgesehen sind. Die an den Gleichrichter 10 angelegte Netzspannung von z.B. 230V und 50 Herz wird in dem Gleichrichter 10 gleichgerichtet und mit einem Glättkondensator C geglättet. Die geglättete Gleichspannung wird dem Dreiphaseninverter 11 zugeführt, dem weiters von einer Motorregelstufe 12 eine Regelinformation RI zugeführt wird, die die mit dem Koordinatensystem rotierenden Spulenspannung US je Statorspule 7 vorgibt. Der Dreiphasen-Inverter 11 prägt jeder der drei Statorspulen 7 die der Regelinformation RI entsprechenden Spulenspannung US ein, worauf sich in den Statorspulen 7 jeweils der Spulenstrom IS ausbildet.

[0029] Die Motorregelstufe 12 weist eine Feedbackstufe 13 auf, der von dem Kugelmotor 1 eine Drehzahl- und/oder Positionsinformation PI zugeführt wird. Die Feedbackstufe 13 ist zum Auswerten der Drehzahl- und/oder Positionsinformation PI und zum Abgeben einer Winkelinformation Wl ausgebildet. Die Winkelinformation Wl enthält eine Information über die aktuelle Winkel- 4/12 österreichisches Patentamt AT 512 002 2014-02-15

Position des Rotors 4 bzw. den Rotorwinkel Θ und somit auch eine Information über das aktuelle Drehmoment des Kugelmotors 1.

[0030] Die Motorregelstufe 12 weist eine Transformationsstufe 14 auf, der von einem Stromsensor an den Zuleitungen des Spulenstroms IS eine Strominformation Sl zuführbar ist. Die Transformationsstufe 14 ist zum Auswerten der Strominformation Sl und der Winkelinformation Wl ausgebildet. Zusätzlich ist die Transformationsstufe 14 zum Transformieren der ausgewerteten Informationen entsprechend der Clark und Park Transformation und zum Abgeben eines Regeldirektstroms RDI und eines Regelquerstroms RQI in dem stehenden Koordinatensystem ausgebildet.

[0031] Die Motorregelstufe 12 weist Additions- bzw. Subtraktionsstufen 15 und 16 auf, wobei in der ersten Stufe 15 von der je nach gewünschter Drehzahl des Kugelmotors 1 vorgegebenen Querstromkomponente IQ der Regelquerstrom RQI subtrahiert wird (Sollwert minus Istwert). In der zweiten Stufe 16 von der vorgegebenen Direktstromkomponente ID der Regeldirektstrom RDI subtrahiert. Die von den Addition- bzw. Subtraktionsstufen 15 und 16 addierten Stromkomponenten des Spulenstroms IS werden PID-Reglern 17 und 18 zugeführt, die zum Abgeben einer Regelinformation für die Querstromkomponente RQ und eine Regelinformation für die Direktstromkomponente RD, allerdings noch in dem rotierenden Koordinatensystem, ausgebildet sind. Mittels einer Rücktransformationsstufe 19 werden die Regelinformationen RQ und RD für die Querstromkomponente und die Direktstromkomponente in das stationäre Dreiphasen-Koordinatensystem entsprechend der umgekehrten Clark und Park Transformation rücktransformiert. Die Rücktransformationsstufe 19 ist zum Abgeben der Regelinformation RI an den Dreiphasen-Inverter 11 ausgebildet.

[0032] Die vorstehend beschriebene Motorregelung wurde nur in groben Zügen erläutert, da die beschriebenen Stufen der Motorregelung bekannt sind und in am Markt erhältlichen integrierten Schaltkreisen realisiert wurden. Bei einem mit einer solchen Motorregelung angetriebenem Kugelmotor 1 hat sich in der Praxis gezeigt, dass es zu mechanischen Schwingungen kommen kann. Untersuchungen haben ergeben, dass diese Schwingungen durch hydraulische Kräfte und durch einen nichtidealen magnetischen Aufbau des bürstenlosen permanentmagneterregten Kugelmotors 1 und durch oszillierende, senkrecht zur Rotoroberfläche gerichtete permanent und elektromagnetische Kräfte kommt, wodurch Kräfte und insbesondere axiale Kräfte oszillierend auf den Rotor bzw. das Pumpenlaufrad einwirken. Diese Schwingungen können beispielsweise bei Verwendung des Kugelmotors als Heizungs-Umwälzpumpe über die Heizungsleitungen auf das gesamte Heizungssystem übertragen werden und zu störenden Geräuschen im ganzen Haus führen. Gleiches gilt für Zylindermotoren wo die oszillierenden Kräfte im Spalt zwischen Rotor und Stator Schwingungen erzeugen die zu Geräuschen führen.

[0033] Die erfindungsgemäße Motorregelung 1 weist nunmehr einen Direktstrom-Generator 20 auf, dem die von der Feedbackstufe 13 ermittelte Winkelinformation Wl zuführbar ist, die auch eine Information über die aktuelle Drehzahl des Kugelmotors 1 enthält. Der Direktstrom-Generator 20 wertet diese Winkelinformation Wl, den Regelquerstrom RQI und andere in der Motorregelung 8 vorliegende Informationen aus, um in dem Kugelmotor 1 den mechanischen Schwingungen gegen-gepolte Schwingungen zu erzeugen. Der Direktstrom-Generator 20 ist hierfür zum Erzeugen eines Wechselanteils bzw. einer periodisch wechselnden Direktstromkomponente IDW ausgebildet, die in der ersten Stufe 15 gemeinsam mit dem Regeldirektstrom RDI von dem Sollwert der konstanten Direktstromkomponente ID subtrahiert wird.

[0034] Im Folgenden ist anhand eines konkreten Beispiels erläutert, wie die periodisch wechselnde Direktstromkomponente IDW von dem Direktstrom-Generator 20 berechnet wird bzw. mit welchen Frequenzen man bei IDW rechnen muss. Idealerweise ist das Rotor-Magnetfeld RM entlang des Luftspaltes zwischen Rotor 4 und Stator 3 sinusförmig ausgeprägt. Fertigungstechnisch bedingt (z.B. durch die Magnetisierung des Rotors oder durch die Motorbauform selber) treten jedoch zur Grundwelle auch höhere Harmonische im Rotor-Magnetfeld RM auf. Im konkreten Beispiel ist die fünfte Obenwelle vorhanden, d.h., der Betrag der Flussdichte des Rotor-Magnetfelds RM kann mit 5/12 österreichisches Patentamt AT 512 002 2014-02-15

Brm (Θ) = Bi sin (Θ) + B5 sin (5Θ + θ0) [0035] angesetzt werden. Aufgrund der feldorientierte Regelung werden die sinusförmigen Ströme mit IQ=I und ID=0 so eingeprägt bzw. stellen sich durch die eingeprägte Spulenspannung US so ein, dass mit Bi ein konstantes und vom Rotorwinkel Θ unabhängiges Drehmoment eingestellt wird. Im Weiteren verursacht diese Standard-Bestromung mit Bi keine Radialkräfte FR. Die Interaktion zwischen den sinusförmigen Strömen mit der fünften Oberwelle im Rotor-Magnetfelds RM verursacht zum einen Drehmomentschwankungen, was im konkreten Fall zu keinem weiteren Problemen führt. Zum anderen werden jedoch über FR! ~ B5 sin(50 + 0o)IQcos(0) FR! ~ B5IQsin(60 + 0O) + B5IQsin(40 + 0O) [0036] an jeder einzelnen Wicklung der Statorspulen 7 senkrecht zur Rotoroberfläche gerichtete Kräfte FR erzeugt. Betrachtet man die beiden anderen Wicklungen, so ergibt sich FR2 = FRi (0-120°) FR3= FRi(0 -240°) [0037] Kritisch ist dabei vor allem die entstehende senkrecht zur Rotoroberfläche wirkende Kraft FR mit der 6-fachen Frequenz, da sich die Teilkräfte der einzelnen Wicklungen addieren. Beim gegebenen Kugelmotor 1 treten daher resultierende axiale Kräfte auf, welche Vibrationen mit der 6-fachen elektrischen bzw. mit der 12-fachen mechanischen Frequenz hervorrufen.

[0038] Um diese Schwingungen zu dämpfen oder zu eliminieren wird daher mit dem beschriebenen Verfahren die periodisch wechselnde Direktstromkomponente IDW mit IDW = c sin(60 + 0i) [0039] vorgegeben, wobei mit 0i die Phasenlage und mit c die Amplitude exakt angepasst werden kann. Da die Radialkräfte FR im vorliegenden Fall direkt von der Querstromkomponente IQ abhängen, macht es natürlich auch Sinn die Amplitude c direkt proportional mit der Querstromkomponente IQ zu gewichten.

[0040] Auch die Temperatur kann einen Einfluss auf axiale Kräfte und Vibrationen des Kugelmotors 1 haben. Ändert sich die Temperatur, so nimmt auch die Stärke des Rotor-Magnetfelds RM ab. Der Direktstrom-Generator 20 kann diesen Effekt bei der Erzeugung der periodisch wechselnden Direktstromkomponente IDW berücksichtigt, wobei für die Ermittlung der Temperatur ein Temperatursensor vorgesehen sein kann oder zur Abschätzung der Temperatur mathematische Modell herangezogen werden können. Die Temperatur bildet hierbei ein Beispiel einer anderen in der Motorregelung 8 vorliegenden Information, die ausgewertet wird, um eine optimal angepasste periodisch wechselnden Direktstromkomponente IDW zu erzeugen.

[0041] Durch das Vorsehen des Direktstrom-Generators 20 und das Einprägen der Spulenspannung US, damit sich eine periodisch wechselnde Direktstromkomponente IDW einstellt, ist der Vorteil erhalten, dass periodisch wechselnde und insbesondere axiale Schwingungen auf den Rotor 4 einwirken und im Idealfall die mechanischen Schwingungen zur Gänze kompensieren. Hierdurch kann der Kugelmotor 1 wesentlich leiser betrieben werden, was beispielsweise beim Einsatz des Kugelmotors 1 als Umwälzpumpe in dem Heizungssystem eines Hauses wesentliche Vorteile bringt.

[0042] In dem Direktstrom-Generator 20 sind nunmehr weiters Anpassungsmittel 21 vorgesehen, denen eine durch eine Messung der Schwingungen des Kugelmotors 1 ermittelte Anpassungsinformation AI zuführbar ist, mit der der Direktstrom-Generator 20 zum Erzeugen einer an den zu steuernden Kugelmotor 1 besonders gut angepassten Direktstromkomponente IDW ausgebildet ist. Die axialen Schwingungen können beispielsweise mittels eines oder mehrerer Hall-Sensoren gemessen werden, die an einer oder mehreren Stellen an dem Kugelmotor 1 angebracht sind. Die ermittelten Messwerte werden als Parameter in Speichermitteln der Anpassungsmittel 21 gespeichert und bei der Ermittlung der an den Kugelmotor 1 angepassten wechselnden Direktstromkomponente IDW berücksichtigt. Zusätzlich wird die Art des Syn- 6/12 österreichisches Patentamt AT 512 002 2014-02-15 chronmotors, also beispielsweise ein Kugelmotor oder ein Elektromotor mit zylindrischem Rotor, in den Anpassungsmitteln 21 gespeichert, um eine entsprechend gute Anpassung des zu regelnden Synchronmotors zu erreichen. Hierdurch ist der Vorteil erhalten, dass die mechanischen Schwingungen des Kugelmotors 1 praktisch zur Gänze kompensiert werden können und der Kugelmotor 1 somit besonders leise läuft.

[0043] Sinngemäß gilt das Gleiche auch für Zylindermotoren, wo nicht eine axiale Schwingung zu Geräuschen führt sondern eine radiale Schwingung im Spalt zwischen Rotor und Stator.

[0044] Figur 6 zeigt ein Blockschaltbild einer Motorsteuerung 22 mit einem Direktspannungs-Generator 23. Hierbei entspricht der Aufbau der Motorsteuerung 22 gemäß Figur 5 dem Aufbau der Motorsteuerung 8 gemäß Figur 6, wobei anstatt dem Direktstrom-Generator 20 der Di-rektspannungs-Generator 23 eine periodisch wechselnde Direktspannungskomponente UDW erzeugt, die über eine dritte Additionsstufe 24 nach dem PID-Regler 17 addiert wird. Auch bei der Motorsteuerung 22 wird den Statorspulen 7 die Spulenspannung US eingeprägt, die die von dem Direktspannungs-Generator 23 erzeugte Direktspannungskomponente UDW entsprechend enthält.

[0045] Auch bei der Motorsteuerung 22 ist das Vorsehen von Anpassungsmitteln 25 in dem Direktspannungs-Generator 23 vorteilhaft. Mit der Motorsteuerung 22 werden dieselben Vorteile erhalten, wie sie vorstehend anhand der Motorsteuerung 8 erläutert wurden.

[0046] Es kann erwähnt werden, dass die Feedbackstufe in den Motorregelungen 8 und 22 auch entfallen könnte und die Winkelinformation Wl über elektrische Größen (Ströme und Spannungen) mathematisch ermittelt werden könnte.

[0047] Es kann erwähnt werden, dass eine erfindungsgemäße Motorregelung an Synchronmotoren mit unterschiedlicher Anzahl N an Statorspulen, Polen im Rotor und Phasen zur Ansteuerung in dem Synchronmotor anpassbar ist.

[0048] Es kann erwähnt werden, dass die Überlagerung der vorgegebenen Direktstromkomponente ID und des Regeldirektstroms RDI zur Subtraktion auch analog durchgeführt werden kann. 7/12

Claims (7)

1. österreichisches Patentamt AT 512 002 2014-02-15 Patentansprüche 1. Motorregelung (8; 22) für einen Synchronmotor (1), der eine Anzahl von N zueinander versetzt angeordneten Statorspulen (7) aufweist, die um einen Rotor (4) des Synchronmotors (1) angeordnet sind, wobei den Statorspulen (7) von der Motorregelung (8; 22) eine Spulenspannung (US) einprägbar ist und sich ein Spulenstrom (IS) ausbildet, der in einem proportional mit der Drehzahl des Synchronmotors (1) rotierenden Koordinatensystem eine Direktstromkomponente (ID; IDW) und eine Querstromkomponente (IQ) aufweist, wobei die Querstromkomponente (IQ) eine den Rotor (4) in Drehrichtung antreibende Tangentialkraft (FT) bewirkt und wobei die Direktstromkomponente (ID) eine Kraft (FR) senkrecht zur Rotoroberfläche auf den Rotor (4) bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorregelung (8; 22) einen Direktstrom-Generator (20) zur Erzeugung einer in dem rotierenden Koordinatensystem periodisch wechselnden Direktstromkomponente (IDW) aufweist, um durch die senkrecht zur Rotoroberfläche erzeugte Kraft (FR) Schwingungen des mit der Motorregelung (8; 22) angetriebenen Synchronmotors (1) auszugleichen, wobei der Direktstrom-Generator zum Auswerten von zumindest einer Winkelinformation und einem Regelquerstrom ausgebildet ist und, wobei die Motorregelung (8; 22) zur Regelung eines Motors (1) mit halbkugelförmigen Rotor optimiert ist.
2. 2. Motorregelung (8; 22) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Direktstrom-Generator (20) Anpassungsmittel (21) aufweist, denen eine durch eine Messung der Schwingungen des Synchronmotors (1) ermittelte Anpassungsinformation zuführbar ist, mit der die Motorregelung (8; 22) zum Erzeugen einer an den zu steuernden Synchronmotor (1) angepassten wechselnden Direktstromkomponente (IDW) ausgebildet ist.
3. 3. Motorregelung (22) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anstatt des Direktstrom-Generators ein Direktspannungs-Generator (23) zur Erzeugung einer in dem rotierenden Koordinatensystem periodisch wechselnden Direktspannungskomponente (UDW) ausgebildet ist, um durch senkrecht zur Rotoroberfläche gerichtete Kräfte erzeugte Schwingungen des mit der Motorregelung (22) angetriebenen Synchronmotors (1) auszugleichen.
4. 4. Motorregelung (8; 22) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorregelung (8; 22) durch eine feldorientierte Regelung gebildet ist.
5. 5. Verfahren zur Regelung eines Synchronmotors (1) bei dem eine Spulenspannung (US) in eine Anzahl von N zueinander versetzt angeordneten Statorspulen (7), die um einen Rotor (4) des Synchronmotors (1) angeordnet sind, einprägt wird und sich ein Spulenstrom (IS) ausbildet, wobei der Spulenstrom (IS) in einem proportional mit der Drehzahl des Synchronmotors (1) rotierenden Koordinatensystem eine Direktstromkomponente (ID, IDW) und eine Querstromkomponente (IQ) aufweist und wobei die Querstromkomponente (IQ) eine den Rotor (4) in Drehrichtung antreibende Tangentialkraft (FT) bewirkt und wobei die Direktstromkomponente (ID) eine Kraft (FR) senkrecht zur Rotoroberfläche auf den Rotor (4) bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass eine in dem rotierenden Koordinatensystem periodisch wechselnde Direktstromkomponente (IDW) erzeugt und durch Einprägen der Spulenspannung (US) vorgegeben wird, um durch die senkrecht zur Rotoroberfläche wirkende Kraft (FR) Schwingungen des mit der Motorregelung (8; 22) angetriebenen Synchronmotors (4) auszugleichen, wobei zum Erzeugen der geeigneten periodisch wechselnden Direktstromkomponente zumindest eine Winkelinformation und ein Regelquerstrom ausgewertet werden und, wobei die Motorregelung (8; 22) zur Regelung eines Kugelmotors (1) verwendet wird.
6. 6. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messung der Schwingungen des Synchronmotors (1) durchgeführt wird und eine dabei ermittelte Anpassungsinformation zum Erzeugen einer an den zu steuernden Synchronmotor (1) angepassten wechselnden Direktstromkomponente (IDW) verwendet wird. 8/12 österreichisches Patentamt AT 512 002 2014-02-15
7. 7. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass anstatt der wechselnden Direktstromkomponente (IDW) eine in dem rotierenden Koordinatensystem periodisch wechselnde Direktspannungskomponente (UDW) eingeprägt wird, um durch senkrecht zur Rotoroberfläche wirkende Kräfte erzeugte Schwingungen des mit der Motorregelung (22) angetriebenen Synchronmotors (1) auszugleichen. Hierzu 3 Blatt Zeichnungen 9/12