DE102008036704B4 - DC machine with electronic commutation - Google Patents

Abstract

Eine bürstenlose Gleichstrom-Maschine soll eine energieoptimale Steuerung der Kommutierung auch unter stark schwankenden Lastbedingungen und mit möglichst sparsamen Regelkreisen ermöglichen und einen kleinen Herstellungsaufwand verursachen. Erfindungsgemäß wird eine geschlossene, fortschreitende Wicklung verwendet, die in zweckmäßiger Weise elektronisch kommutiert wird. Weiterhin werden spezielle Lösungen für die Gewinnung der phasenrichtigen und lastabhängigen Kommutierungszeiten angegeben. Die Erfindung eignet sich für alle elektrischen Gleichstrom-Maschinen, bevorzugt aber solche mit kleiner und mittlerer Leistung.A brushless DC machine should enable an energy-optimal control of the commutation even under highly fluctuating load conditions and with the most economical control circuits and cause a small manufacturing effort. According to the invention, a closed, progressive winding is used, which is suitably commutated electronically. Furthermore, special solutions for obtaining the in-phase and load-dependent commutation times are given. The invention is suitable for all DC electric machines, but preferably those with low and medium power.

Description

Einsatzgebiet und technischer HintergrundField of application and technical background

Die Erfindung betrifft elektronisch kommutierte, so genannte bürstenlose, Gleichstrom-Maschinen in der Anwendung als Motor oder als Generator. Diese bestehen vorzugsweise aus einem Stator mit elektrischen Wicklungen und einem Permanentmagnet-Rotor. Weichmagnetische Rückschlüsse können mit dem Rotor oder dem Stator verbunden sein. Zusätzlich zu den allgemein gültigen Forderungen nach einem möglichst hohen Wirkungsgrad und kleinem technologischen Fertigungsaufwand geht es hier besonders auch um optimale Maschinenausnutzung, sowie einen ruhigen, geräuscharmen Lauf und einen niedrigen elektromagnetischen Störpegel. Auch wenn in den nachfolgenden Betrachtungen bürstenlose Gleichstrom-Motoren zum Teil bevorzugt beschrieben werden zeigt sich doch, dass die grundlegenden Lehren vorteilhaft auch für bürstenlose Gleichstrom-Generatoren, zum Beispiel in Windkraftanlagen, anwendbar sind.The invention relates to electronically commutated, so-called brushless, DC machines in the application as a motor or as a generator. These preferably consist of a stator with electrical windings and a permanent magnet rotor. Soft magnetic conclusions can be connected to the rotor or the stator. In addition to the generally valid requirements for the highest possible degree of efficiency and low technological production costs, it is also a matter of optimal machine utilization, as well as quiet, low-noise operation and a low electromagnetic interference level. Although brushless DC motors are described in some preferred embodiments in the following, it will be appreciated that the basic teachings are also advantageously applicable to brushless DC generators, for example in wind turbines.

Stand der TechnikState of the art

Unter elektronisch kommutierten Gleichstrom-Maschinen werden im Allgemeinen solche Maschinen verstanden, die dem magnetisch-mechanischen Wirkprinzip nach eigentlich Synchron-Maschinen, also Wechselstrom-Maschinen, sind. Letztere sind durch Phasenwicklungen gekennzeichnet, die aus den sinusförmigen Betriebsströmen ein harmonisches magnetisches Drehfeld, oder umgekehrt aus einer gleichförmigen Drehbewegung sinusförmige Betriebsströme, erzeugen. Charakteristisch für Phasenwicklungen in Synchron-Maschinen ist der direkte konstruktive Zusammenhang zwischen der Spulenzahl und der Polzahl. In einer typischen Dreiphasen-Maschine ist das Verhältnis zwischen beiden Zahlen 3:2, also z. B. eine 6-polige Wicklung mit einem 4-poligen Läufer. Das Erzeugen eines sinusförmigen Stroms für den Betrieb eines Wechselstrom-Motors mit Umrichter aus einer Gleichspannung ist mit bekannten technischen Problemen, bzw. Kompromissen verbunden, die teils den Wirkungsgrad einschränken, teils hochfrequente Oberwellen erzeugen, die zu elektromagnetischen Störungen führen. Weitere Methoden der Ansteuerung, die vor allem der Vereinfachung dienen sollen, führen grundsätzlich zur Verschlechterung des Betriebsverhaltens gegenüber dem Sinusstrom. Der bis hierher beschriebene Maschinentyp wird nachfolgend aus dem Begriff 'Gleichstrom-Maschine' ausgeschlossen.Electronically commutated direct current machines are generally understood to mean those machines which, according to the magneto-mechanical operating principle, are actually synchronous machines, that is to say alternating current machines. The latter are characterized by phase windings which generate from the sinusoidal operating currents a harmonic magnetic field of rotation or, conversely, from a uniform rotational movement sinusoidal operating currents. Characteristic of phase windings in synchronous machines is the direct constructive relationship between the number of coils and the number of poles. In a typical three-phase machine, the ratio between the two numbers is 3: 2, so z. B. a 6-pole winding with a 4-pole rotor. The generation of a sinusoidal current for the operation of an AC motor with inverter from a DC voltage is associated with known technical problems or compromises, which partly limit the efficiency, partly generate high-frequency harmonics, which lead to electromagnetic interference. Other methods of control, which should primarily serve the simplification, basically lead to a deterioration of the performance compared to the sine current. The machine type described so far is excluded from the term 'DC machine'.

Gleichstrom-Maschinen im ursprünglichen Sinne sind mit einem Bürsten-Kommutator ausgestattet, der nicht nur den Betriebsstrom an den Rotor leitet, sondern auch als synchron zum Drehwinkel schaltender Polwechsler zur Kommutierung der Rotorspulen dient. Im Unterschied zu den Phasenwicklungen der oben beschriebenen Synchron-Maschinen ist die typische Wicklungsform dieser Kommutatormaschinen die fortlaufende, in sich geschlossene, Wicklung. Bei entsprechender Konstruktion gelingt es damit, beinahe die gesamte Wicklung ständig mit Betriebsstrom konstanten Betrages zu beaufschlagen. Je höher dabei die Stegzahl gewählt wird, desto kleiner ist die Teilwicklung, die pro Kommutatorschritt umzupolen ist. Das Prinzip der Gleichstrom-Maschine ist der Synchron-Maschine also in einigen Eigenschaften überlegen. Andererseits sind die vielfältigen Betriebsprobleme der mechanischen Bürsten, wie z. B. Abrieb, Verschleiß und Bürstenfeuer, allseits bekannt, so dass bürstenlose Maschinen zweifelsfrei fortschrittlicher sind.DC machines in the original sense are equipped with a brush commutator, which not only directs the operating current to the rotor, but also serves as a synchronous to the rotation angle switching pole changer for commutation of the rotor coils. Unlike the phase windings of the synchronous machines described above, the typical winding form of these commutator machines is the continuous, self-contained, winding. With appropriate design, it succeeds in constantly applying almost constant current to the entire winding with constant operating current. The higher the number of rungs selected, the smaller the partial winding which is to be repositioned per commutator step. The principle of the DC machine is thus superior to the synchronous machine in some respects. On the other hand, the many operational problems of mechanical brushes, such. As abrasion, wear and brush fire, well known, so that brushless machines are undoubtedly more advanced.

Es sind Lösungen bekannt, den mechanischen Kommutator durch einen elektronischen zu ersetzen, während die Ausführung der übrigen Gleichstrom-Maschine mit ihren Vorzügen weitgehend erhalten bleibt. Dabei wechselt die Funktion von Stator und Rotor, weil die elektrischen Verbindungen jetzt statisch vom elektronischen Kommutator zu den Spulen zu verdrahten sind. Der elektronische Kommutator muss nun nicht nur die Umschaltvorgänge an sich, sondern insbesondere auch die Synchronität zwischen Drehwinkel und Schaltzuständen realisieren.Solutions are known to replace the mechanical commutator by an electronic, while the design of the other DC machine with its advantages is largely maintained. The function of stator and rotor changes because the electrical connections are now static to be wired from the electronic commutator to the coils. The electronic commutator must now not only realize the switching operations per se, but also in particular the synchronicity between rotation angle and switching states.

So beschreibt die Auslegeschrift DE 2 133 489 B eine elektronisch gesteuerte kollektorlose Gleichstrommaschine, bei der eine gerade Anzahl von Halbleiterschaltern an die Stelle mechanischer Bürsten tritt. Weil jeder Steg des Kollektors während der Drehung einmal mit der einen und einmal mit der anderen Pol-Bürste Kontakt hat, muss auch der Halbleiterschalter zu beiden Polen schaltbar, also als Halbbrücke ausgeführt sein. Ähnlich den Bürsten, die zwei oder mehrere benachbarte Stege immer gleichzeitig kontaktieren, um magnetische Umladevorgänge zwischen den Polen zu unterstützen, werden auch hier wenigstens zwei benachbarte Knotenpunkte der Wicklung gleichzeitig kommutiert. Die Realisierung eines elektronischen Kommutators als Ersatz eines mechanischen ist insofern aufwändig, als für jeden Steg des ersetzten mechanischen Kommutators ein elektronischer Schalter treten muss, was für hochwertige Gleichstrom-Maschinen eine beachtliche Anzahl ist. Wollte man die Anzahl der Kommutierglieder, bestehend jeweils aus einer Wicklungs-Anzapfung, einer Halbbrücke mit zugehöriger Ansteuerung und unter Umständen weiteren Elementen, reduzieren, so führte dies zu größeren Kommutierschritten, verbunden mit Nachteilen, wie stärken Geräuschen, größeren elektromagnetischen Störpegeln, höheren Umladeverlusten und vergröberter Phasenauflösung – letztendlich also zu verschlechterten Betriebsparametern.This is how the excerpt letter describes DE 2 133 489 B an electronically controlled brushless DC machine in which an even number of semiconductor switches replace mechanical brushes. Because each bar of the collector has contact with the one and the other pole brush once during the rotation, the semiconductor switch also has to be switchable to both poles, that is to say designed as a half bridge. Similar to the brushes, which always contact two or more adjacent lands simultaneously to assist magnetic recharging operations between the poles, at least two adjacent nodes of the winding are also commutated simultaneously. The realization of an electronic commutator as a replacement of a mechanical is so far consuming, as for each bridge of the replaced mechanical commutator has an electronic switch must occur, which is a considerable number for high-quality DC machines. If one wanted to reduce the number of Kommutierglieder, each consisting of a winding tap, a half-bridge with associated control and possibly other elements, so this led to larger Kommutierschritten, coupled with disadvantages such as strong noise, larger electromagnetic interference levels, higher Umladeverlusten and coarsened phase resolution - ultimately to deteriorated operating parameters.

Eine wichtige Voraussetzung für den effizienten Betrieb einer kommutierten Maschine ist, dass die Kommutierung exakt zur richtigen Zeit, also im optimalen Drehwinkel, erfolgt. Das heißt, die Kommutierungsfrequenz muss zur Drehzahl des Rotors synchron und der Phasenwinkel sollte dem in der Maschine herrschenden, belastungsabhängigen, Magnetfeld optimal angepasst sein. Hierbei ist der Begriff optimal sehr an die jeweilige Zielstellung gebunden. So kann z. B. in einem Kleinmotor ein geringfügig niedrigerer Wirkungsgrad auf Kosten einer kleineren Geräuschbildung in Kauf genommen werden. An important prerequisite for the efficient operation of a commutated machine is that the commutation takes place exactly at the right time, ie in the optimum rotation angle. That is, the commutation frequency must be synchronous to the speed of the rotor and the phase angle should be optimally adapted to the load-dependent, magnetic field prevailing in the machine. Here, the term is optimally tied to the respective objective. So z. B. in a small engine, a slightly lower efficiency at the expense of smaller noise can be accepted.

In bekannten Umrichtern für Synchron-Maschinen wird der Kommutierungszeitpunkt entweder durch zusätzliche Drehwinkelgeber, z. B. Hall-Sensoren im Magnetfeldbereich des Rotors oder auch über den in der Wicklung induzierten Spannungsverlauf bestimmt. Hier ist zu unterscheiden, ob die Gewinnung des Rotor-Drehwinkels statisch, also auch im Ruhezustand beim Anfahren, oder nur dynamisch bei bereits laufender Maschine erfolgen kann. Während der Startphase der Maschine, also im Ruhezustand und bei sehr kleinen Drehzahlen, erreichen die induzierten Spannungen noch keine auswertbare Größe. Um dennoch ein sicheres Anfahren zu gewährleisten, sind mehrstufige Algorithmen bekannt, die mit Hilfe von Mikrocontrollern realisierbar sind und zunächst den Rotor statisch in eine definierte Startposition bringen und anschließend mit einer so kleinen Beschleunigung anfahren, dass bei maximaler Belastung eine Synchronisation sicher erhalten bleibt. Dies führt aber im Allgemeinen zu einer längeren, durch diskontinuierliche Bewegungen gekennzeichneten, Startphase.In known inverters for synchronous machines, the commutation time is determined either by additional rotary encoder, z. B. Hall sensors in the magnetic field range of the rotor or over the induced voltage in the winding waveform determined. Here it must be distinguished whether the recovery of the rotor angle of rotation can be static, ie also in the idle state when starting, or only dynamically with the machine already running. During the start-up phase of the machine, ie in the idle state and at very low speeds, the induced voltages do not yet reach an evaluable size. In order to ensure a safe start nevertheless, multi-stage algorithms are known which can be realized with the aid of microcontrollers and initially bring the rotor statically in a defined starting position and then approach with such a small acceleration that at maximum load synchronization is maintained. However, this generally leads to a longer, characterized by discontinuous movements, startup phase.

In der Patentschrift EP 1 798 847 A2 wird insbesondere eine Lösung zur Synchronisation der Kommutierung mit der Rotorbewegung vorgeschlagen, die einen Phasenreferenz-Generator einsetzt. Zur Synchronisation dieses Phasenreferenz-Generators sind zwei Drehpositions-Encoder vorgesehen. Ein erster Encoder dient dabei dem Auffinden einer Nullmarke, bezogen auf die gesamte Drehfeld-Periode. Hiermit wird der absolute Drehwinkel zugeordnet, indem z. B. der Phasenreferenz-Generator zurück gesetzt, bzw. genullt wird. Ein zweiter Encoder ist ein Incremental-Encoder zur Gewinnung der Eingangs-Taktfrequenz. Aus weiteren Ausführungen ist zu schließen, dass typischer Weise ein optischer Drehgeber vorgesehen ist, dessen Kodierscheibe eine Sektorteilung enthält, die der Teilung der Kommutierungsschritte entspricht. Somit kann der Phasenreferenz-Generator bei jedem von der drehenden Kodierscheibe gewonnenen Taktimpuls den Phasenindex um Eins weiterschieben. Mit dieser Lösung sind aber einige technische Probleme verbunden. Eine statische Winkelinformation, z. B. unmittelbar bei Inbetriebnahme der Maschine vor dem Ausführen einer Initialdrehung, kann nicht gewonnen werden – die Maschine muss zunächst anlaufen und zumindest die Nullmarke überschreiten. Bei bestimmten Ausführungen von Maschinen, z. B. mit gekapselten Läufern in Pumpen, ist es überhaupt nicht möglich, derartige Encoder am Rotor betreiben zu können. Nicht zuletzt ist auch der technische Aufwand zur Realisierung eines solchen Encoders und dessen Störanfälligkeit, etwa durch Verschmutzung einer optischen Kodierscheibe, zu bedenken.In the patent EP 1 798 847 A2 In particular, a solution for the synchronization of the commutation with the rotor movement is proposed, which uses a phase reference generator. To synchronize this phase reference generator, two rotary position encoders are provided. A first encoder is used to find a zero mark, based on the entire phase rotation period. Hereby, the absolute rotation angle is assigned by z. B. the phase reference generator is reset or zeroed. A second encoder is an incremental encoder for obtaining the input clock frequency. From further statements it can be concluded that typically an optical rotary encoder is provided whose coding disk contains a sector division which corresponds to the division of the commutation steps. Thus, the phase reference generator can shift the phase index by one for every clock pulse produced by the rotating encoder disk. However, there are some technical problems associated with this solution. A static angle information, z. B. immediately after commissioning the machine before performing an initial rotation, can not be obtained - the machine must first start and at least exceed the zero mark. For certain types of machines, eg. B. with encapsulated runners in pumps, it is not possible at all to be able to operate such encoder on the rotor. Not least, the technical complexity for the realization of such an encoder and its susceptibility, such as contamination of an optical encoder, to consider.

Die DE 42 22 949 A1 verwendet einen Phasenregelkreis, der aus dem Signal einer Statorspule ein ganzzahliges Vielfaches deren Grundfrequenz erzeugt, woraus anschließend alle Einzelphasen der Kommutierung gewonnen werden sollen. Dabei wird grundsätzlich von einer stetigen Last des Motors und somit von einer harmonischen Phasenzuordnung ausgegangen. Derartige Regelkreise benötigen zur Nachregelung, z. B. nach Lastwechseln, bekanntlich mehr als eine Periode im Phasenkomparator, also eine Vielzahl einzelner Phasenperioden. Bei einem plötzlichen Lastzuwachs kann die beschriebene Lösung nicht rechtzeitig reagieren, weshalb die Zuordnung zwischen Kommutierungswinkel und Rotorwinkel verloren geht. Das Drehmoment fällt auf Null zurück – der Motor muss über eine gesonderte Anlaufschaltung neu hochgefahren werden. Auch eine statische Winkelinformation, z. B. unmittelbar bei Inbetriebnahme der Maschine vor dem Ausführen einer Initialdrehung, kann nicht gewonnen werden. Zwar wird die Existenz einer speziellen „Startlogik” angedeutet, deren Beschaffenheit bleibt aber ungeklärt.The DE 42 22 949 A1 uses a phase-locked loop, which generates from the signal of a stator coil an integer multiple of their fundamental frequency, from which subsequently all individual phases of the commutation are to be obtained. In principle, a steady load of the motor and thus a harmonic phase assignment are assumed. Such control circuits need for readjustment, z. B. after load changes, as is known, more than one period in the phase comparator, that is, a plurality of individual phase periods. With a sudden increase in load, the described solution can not react in time, which is why the assignment between commutation and rotor angle is lost. The torque drops to zero - the motor must be restarted via a separate start-up circuit. Also a static angle information, z. B. immediately at start-up of the machine before performing an initial rotation, can not be won. Although the existence of a special "start logic" is indicated, but their nature remains unclear.

Zur Gewinnung der induzierten Wicklungsspannung gibt die DE 198 46 831 A1 eine Methode an, bei der periodisch in der Umgebung des vermuteten Nulldurchgangs eine Stromlücke eingefügt wird, um eine Spannungsanalyse durchzuführen. Diese Stromlücken, die bei allen bekannten Ausführungen einen erheblichen Teil der Gesamtwicklung – z. B. 1/3 davon – betreffen müssen, verringern die nutzbaren Stromfluss-Zeiten, verschlechtern also die Wicklungsausnutzung. Die DE 103 46 711 A1 schlägt ein Verfahren zum Nachregeln des Kommutierungszeitpunktes vor, bei dem der Stromfluss durch die Wicklung analysiert wird. Hier wird der Nulldurchgang des Wicklungsstroms als optimaler Kommutierungszeitpunkt betrachtet, was jedoch nicht ausreichend begründet wird und bei komplexer Betrachtung einer belasteten Maschine auch kritisch zu hinterfragen ist.To obtain the induced winding voltage gives the DE 198 46 831 A1 a method in which a current gap is periodically inserted in the vicinity of the supposed zero crossing to perform a voltage analysis. These power gaps, which in all known designs a considerable part of the total winding -. B. 1/3 of these - must reduce the usable current flow times, so worsen the winding utilization. The DE 103 46 711 A1 proposes a method for readjusting the commutation time, in which the current flow through the winding is analyzed. Here, the zero crossing of the winding current is considered to be the optimum commutation time, but this is not sufficiently substantiated and should also be critically questioned in the case of a complex view of a loaded machine.

Als besonders korrekt und effizient ist die so genannte Field Oriented Control-Methodik (FOC) einzuordnen, die in „Power Electronics and Variable Frequency Drives”, IEEE Computer Society Press, October 1996, von Bimal Bose beschrieben ist. Grundlage ist das rotierende Rotorfeld als Bezugskoordinatensystem, zu dem die drei Phasenwicklungen mit ihren Strömen vektoriell verglichen und nachgeregelt werden. Hierzu erfolgt zunächst eine Clark-Transformation der Phasenströme in ein rechtwinkliges Phasensystem, wonach dieser über den Rotormagnetflusswinkel in eine D- und eine Q-Komponente umgerechnet wird. Letztere ist als Drehmoment-Transformation über den Gesamt-Regelmechanismus des Motors zu maximieren. Vorausgesetzt wird hierbei, dass sich die Magnetfelder ebenso vektoriell addieren lassen, wie die speisenden 3-Phasen-Ströme, was in einer technischen Maschine mit ihren Feldverzerrungen nur annähernd zutreffen kann. Eine solche Steuerung benötigt einen nicht unerheblichen Aufwand an Controller-Funktionsgruppen und zugehöriger Software, deren Entwicklungsaufwand für jeden speziellen Anwendungsfall nicht zu unterschätzen ist. So ist ein integrierter Schaltkreis der Firma International Rectifier Corporation (El Segundo, Calif., USA) mit der Typenbezeichnung IRMCF371 bekannt, der als Mixed-Signal-Controller aus einem Mikrocontroller-Kern mit gekoppelter, auf Funktionsgruppen-Ebene programmierbarer, Logik besteht. Die DE 10 2004 050 434 A1 gibt hierfür das Konzept dieser durch Software konfigurierbaren Hardware-Plattform an.Particularly correct and efficient is the so-called Field Oriented Control (FOC) methodology described by Bimal Bose in "Power Electronics and Variable Frequency Drives", IEEE Computer Society Press, October 1996. The basis is the rotating rotor field as a reference coordinate system, to which the three phase windings are vectorially compared and readjusted with their currents. For this purpose, first a Clark transformation of the phase currents into a rectangular one Phase system, after which this is converted over the rotor magnetic flux angle into a D and a Q component. The latter is to maximize as a torque transformation across the overall control mechanism of the engine. It is assumed here that the magnetic fields can be added as vectorially as the feeding 3-phase currents, which in a technical machine can only approximate their field distortions. Such a controller requires a considerable amount of controller function groups and associated software, the development effort for each specific application is not to be underestimated. Thus, an integrated circuit from International Rectifier Corporation (El Segundo, Calif., USA) with the type designation IRMCF371 is known, which consists of a mixed-signal controller consisting of a microcontroller core with coupled, function-group-programmable, logic. The DE 10 2004 050 434 A1 specifies the concept of this software-configurable hardware platform.

Auch die bereits genannte EP 1 798 847 A2 schlägt eine ähnliche Lösung für das Nachregeln der Kommutierungsphase vor, wofür die Nulldurchgänge benachbarte Anzapfungen ausgewertet werden. Gleichzeitig wird aber auch festgestellt, dass wegen der endlichen Anzahl von Segmenten diese Art der Zeitinterpolation des Vektorwinkels zu ungenau ist, weshalb dann doch die Winkelinformation der Drehpositions-Encoder hinzugezogen werden soll.Also the already mentioned EP 1 798 847 A2 proposes a similar solution for the readjustment of the commutation phase, for which the zero crossings adjacent taps are evaluated. At the same time, however, it is also found that, because of the finite number of segments, this type of time interpolation of the vector angle is too inaccurate, which is why the angle information of the rotary position encoders should then be consulted.

Zusammenfassend ist festzustellen, dass echte bürstenlose Gleichstrom-Maschinen vom Prinzip her bekannt sind und die von den herkömmlichen Gleichstrom-Maschinen her bekannten prinzipiellen Vorzüge auch aufweisen, ihrer technischen Verwendung aber vor allem noch Hindernisse, wie hoher Herstellungsaufwand und nicht zufrieden stellende Lösungen für die Synchronisation der Kommutierung, entgegenstehen.In summary, true DC brushless machines are known in principle and also have the principal advantages known from conventional DC machines, but above all they still have obstacles to their technical use, such as high production costs and unsatisfactory solutions for synchronization the commutation, oppose.

Technische AufgabenstellungTechnical task

Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, eine bürstenlose Gleichstrom-Maschine zu entwickeln, die eine energieoptimale Steuerung der Kommutierung auch unter stark schwankenden Lastbedingungen und mit möglichst sparsamen Regelkreisen ermöglicht und einen kleineren Herstellungsaufwand verursacht, als dies bei bekannten technischen Lösungen der Fall ist. Die Lösung soll auf alle bekannten Grundformen, wie Ring-, Trommel- und Scheibenwicklung, Innen- und Außenläufer, sowie mit Sondermerkmalen, wie z. B. sphärischem Läufer oder magnetischem Doppelspalt, anwendbar sein.The invention is based on the technical object to develop a brushless DC machine, which allows an energy-optimal control of the commutation even under highly fluctuating load conditions and with the most economical control circuits and causes a lower production cost than is the case with known technical solutions. The solution should apply to all known basic shapes, such as ring, drum and disk winding, inner and outer rotor, as well as with special features such. B. spherical rotor or magnetic double gap, be applicable.

Problemlösung, Beschreibung der ErfindungProblem solving, description of the invention

Das Problem wird mit der in den Ansprüchen 1, 4, 6 und 7 gekennzeichneten Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.The problem is solved with the invention characterized in claims 1, 4, 6 and 7. Advantageous embodiments are specified in the further claims.

Grundlage der Erfindung ist eine elektronisch kommutierte Gleichstrom-Maschine bekannter Ausführung, deren Wicklung mit einheitlichem Wickelsinn fortlaufend als geschlossener elektrischer Kreis ausgebildet ist, und deren Wicklungsstrom über diametral gegenüberliegende Verbindungspunkte, bzw. Knotenpunkte, zwischen den Wicklungselementen, bestehend aus jeweils einer oder mehrerer Windungen, eingespeist wird. Der elektronische Kommutator besteht aus elektronischen Schalterelementen, die synchron zur Drehbewegung einzelne Verbindungspunkte zwischen den Wicklungselementen bipolar mit der Stromversorgung verbinden. Dabei kann das magnetische Feld nicht nur zwei-, sondern auch vier-, sechs- oder höherpolig sein, wofür jedes Wicklungselement auf eine Anzahl von p/2 Teilwicklungen (mit p als Polzahl) aufzuteilen ist, deren Lage sich gleichmäßig über den Durchmesser verteilt. Auch mehrgängige Wicklungen, wie man sie von herkömmlichen Maschinen kennt, sind in das beschriebene Funktionsprinzip problemlos integrierbar. Es ist auch möglich, Wicklungsteile in sinnvoller Weise einander parallel zu schalten. Weiterhin müssen die Einzelwindungen nicht zwangsläufig einlagig und gleichmäßig verteilt ausgeführt sein, sondern können ebenso auch mehrlagig und in traditioneller Weise in Nuten verlegt sein. Beim Durchgang von Wicklungselementen durch magnetische Polwechselbereiche muss der Strom während der Kommutierung in der vorherigen Richtung ab- und in der entgegengesetzten Richtung aufgebaut werden. Für einen sanften Übergang wird die Betriebsspannung für die Wicklungselemente im Polwechselbereich nicht sofort umgepolt, sondern das betreffende Wicklungselement zunächst kurzgeschlossen, um den Umladeprozess mit Hilfe der sich umkehrenden Gegeninduktion zu ermöglichen. Anschließend wird dann der entgegengesetzt gerichtete Strom wieder zugeschaltet. Durch richtigen Zeitverlauf bei der Kommutierung ist es dabei möglich, trotz der Umschaltvorgänge stets die gleiche Anzahl von Wicklungselementen in den Stromkreis zu schalten und damit die auf die Betriebsspannung zurückkoppelnden Störpegel zu minimieren. Um die Synchronisation zwischen Magnetfeld und Kommutator zu gewährleisten, werden statisch funktionierende, also nicht von der Bewegung abhängige, Positionsgeber, wie Magnetfeld-Sensoren nach dem Hallgeber-Prinzip oder optische Geber mit Sektorscheiben, verwendet. So kann über zwei bipolar wirkende Hall-Sensoren, die mit dem Versatz einer halben magnetischen Polweite, also bis zu 90° zueinander, angeordnet sind, der magnetische Quadrant der Rotorlage ermittelt werden. Mit der Kenntnis des Quadranten ist es bereits möglich, die Maschine suboptimal zu betreiben, zumindest aber einen sicheren und schnellen Anlauf zu gewährleisten. Zur weiteren Vereinzelung der Kommutierungswinkel ist es vorgesehen, einen Generator mit Phasenregelkreis (PLL – Phase Locked Loop) bekannter Ausführung einzusetzen, der einen Grundtakt zum Weiterschalten von einer Kommutierungsphase zur nächstfolgenden erzeugt. Dessen nominale Taktfrequenz berechnet sich aus der Motordrehzahl, multipliziert um die Anzahl von Einzelphasen pro Umdrehung. Zur Synchronisierung mit dem Drehwinkel des Rotors wird dessen Takt mit dem periodischen Signal der Positionsgeber phasenrichtig verglichen und nachgeregelt, nachdem eine Frequenzanpassung im richtigen Verhältnis erfolgte. Eine solche PLL-Funktion kann auch sehr einfach in einen Mikrocontroller durch zweckentsprechende Timerprogrammierung implementiert werden.Basis of the invention is an electronically commutated DC machine of known design, whose winding is formed with a uniform winding sense continuously as a closed electrical circuit, and their winding current via diametrically opposite connection points or nodes, between the winding elements, each consisting of one or more turns, is fed. The electronic commutator consists of electronic switch elements that connect individual connection points between the winding elements bipolar with the power supply synchronously to the rotational movement. In this case, the magnetic field can be not only two, but also four, six or more poles, for which each winding element is divided into a number of p / 2 partial windings (with p as the number of poles), whose position is distributed uniformly over the diameter. Multi-turn windings, as known from conventional machines, can be easily integrated into the described operating principle. It is also possible to turn winding parts in a meaningful way parallel to each other. Furthermore, the individual turns do not necessarily have to be single-layered and evenly distributed, but may also be laid in multiple layers and in a traditional manner in grooves. When passing through winding elements by magnetic pole change areas, the current during commutation in the previous direction and off in the opposite direction must be established. For a smooth transition, the operating voltage for the winding elements in the pole change region is not immediately reversed, but the respective winding element initially shorted to allow the Umladeprozeß using the reversing mutual induction. Subsequently, the oppositely directed current is then switched on again. By proper timing during commutation, it is possible to always switch the same number of winding elements in the circuit despite the switching operations and thus to minimize the feedback level coupling back to the operating voltage. In order to ensure the synchronization between the magnetic field and the commutator, statically functioning, that is not dependent on the movement, position encoders, such as magnetic field sensors based on the Hall sensor principle or optical encoders with sector disks, are used. Thus, the magnetic quadrant of the rotor position can be determined via two bipolar Hall sensors, which are arranged with the offset of a half magnetic pole width, ie up to 90 ° to each other. With the knowledge of the quadrant is It is already possible to operate the machine suboptimal, but at least to ensure a safe and quick start. For further separation of the commutation angle, it is provided to use a phase-locked loop (PLL) generator of known design, which generates a basic clock for switching from one commutation phase to the next. Its nominal clock frequency is calculated from the engine speed multiplied by the number of individual phases per revolution. For synchronization with the rotational angle of the rotor whose clock is compared in phase with the periodic signal of the position encoder and readjusted after a frequency adjustment was carried out in the correct ratio. Such a PLL function can also be easily implemented into a microcontroller by appropriate timer programming.

Um bei plötzlichen Drehzahländerungen, z. B. nach Lastanstiegen, die Kommutierung sofort nachführen zu können ist es vorgesehen, alle Positionsgeber auch bei erreichter Betriebsdrehzahl ständig weiter auszuwerten und bei Überschreitung einer kritischen Abweichung zwischen Rotations- und Kommutierungswinkel sofort als Vorrangfunktion zum Überschreiben der aktuellen Kommutierungsphase zu nutzen.In case of sudden changes in speed, z. B. after load increases to be able to track the commutation immediately, it is intended to constantly evaluate all position encoders even at operating speed reached and to use when exceeding a critical deviation between rotation and commutation immediately as a priority function for overwriting the current commutation.

Die bis hierher beschriebenen Lösungsdetails dienen der festen Zuweisung der Kommutierungswinkel zu den Rotationswinkeln. Um auch lastabhängige Phasenwinkelkorrekturen vornehmen zu können ist es vorgesehen, querliegend zum Betriebsstrom durch die Wicklung eine Brückenspannung abzugreifen, die somit von der Betriebsspannung weitgehend entkoppelt ist. Dies ist vorteilhaft mit Analogmultiplexern möglich, die synchron zur Kommutierung adressiert werden. Da beide vom Betriebsstrom verursachten Teilströme der gleichartigen Wicklungshälften gleich groß sein müssen, ergibt sich für jeden Teilabschnitt mit gleichem Abstand zum Einspeise-Knotenpunkt ein Brücken-Null der Spannungsdifferenzen. Treten solche Spannungsdifferenzen dennoch auf, so müssen sie in den Teilwicklungen induziert worden sein. Gemäß dem erläuterten Grundprinzip findet aber im Idealfall jedes Wicklungselement einer Wicklungshälfte gleiche Magnetfeldbedingungen vor und induziert somit die gleiche Gegenspannung entlang des Stromkreises. Selbst unter der allgemein zutreffenden Annahme, dass an den Rändern der Magnetfeld-Segmente eine kleinere Feldstärke wirkt als in der Mitte, sollten sich diese Erscheinungen am Beginn und am Ende jedes Segments gegenseitig aufheben. Sofern also Brückenspannungen auftreten, ist deren Polarität und Amplitude eine direkte Information über den Fehler des Kommutierungszeitpunktes. Bemerkenswert ist, dass diese Information stets die Überlagerungen des Betriebs-Magnetfeldes durch Belastungen der Maschine mit einbezieht und im Vergleich zu bekannten Bewertungskriterien äußerst robust ist. Der zeitliche Verlauf der Brückenspannung enthält also alle Informationen, die für eine korrekte Frequenz- und Phasensynchronisation des Kommutators gegenüber der Bewegung des Rotors erforderlich sind. Bewegen sich beide asynchron, so kommt es zu einer Grundfrequenz der Brückenspannung als Schwebungsprodukt der beiden Einzelfrequenzen. Phasenfehler bei sonst synchroner Bewegung äußern sich hingegen als Brücken-Gleichspannung. Bei komplexer Auswertung der Brückenspannung könnte also auf weitere Positionsgeber verzichtet werden. Besonders für einen schnellen und zuverlässigen Anlauf kann es aber vorteilhaft sein, solche zusätzlich vorzusehen. In diesem Fall genügt es, die Brückenspannung zu gewinnen und über einen PI-Regler direkt als Phasenverschiebung zu den Kommutierwinkeln vorzeichenrichtig zu addieren. Weitere komplizierte Auswertealgorithmen zur Lastnachführung können damit ganz entfallen. Vom zur Steuerung einzusetzenden Controller werden damit viel geringere Ressourcen abverlangt, als bei bekannten Lösungen.The solution details described so far serve for the fixed assignment of the commutation angle to the rotation angles. In order to make load-dependent phase angle corrections, it is provided to tap a bridge voltage across the winding transverse to the operating current, which is thus largely decoupled from the operating voltage. This is advantageously possible with analog multiplexers that are addressed synchronously to the commutation. Since both caused by the operating current partial currents of the same winding halves must be the same size, results for each section with the same distance from the feed node a bridge zero of the voltage differences. If such voltage differences still occur, they must have been induced in the partial windings. In accordance with the explained basic principle, however, ideally each winding element of a winding half finds identical magnetic field conditions and thus induces the same reverse voltage along the circuit. Even under the general assumption that a smaller field strength acts at the edges of the magnetic field segments than at the center, these phenomena should cancel each other out at the beginning and at the end of each segment. So if bridge voltages occur, their polarity and amplitude is a direct information about the error of Kommutierungszeitpunktes. It is noteworthy that this information always includes the superimpositions of the operating magnetic field due to loads on the machine and is extremely robust compared to known evaluation criteria. The timing of the bridge voltage thus contains all the information required for a correct frequency and phase synchronization of the commutator with respect to the movement of the rotor. If both move asynchronously, then there is a fundamental frequency of the bridge voltage as a beat product of the two individual frequencies. Phase errors in otherwise synchronous motion, however, express themselves as bridge DC voltage. For complex evaluation of the bridge voltage so could be dispensed with further position sensor. Especially for a quick and reliable startup, it may be advantageous to provide such additional. In this case, it is sufficient to obtain the bridge voltage and directly add it as a phase shift to the commutation angles by means of a PI controller. Further complicated evaluation algorithms for load tracking can thus be completely eliminated. From controller to be used for controller so much less resources are required, as in known solutions.

Für eine bestmögliche Maschinenausnutzung ist der Drehwinkelanteil der Übergangsbereiche unter den Polübergängen zu minimieren, was zu einer großen Anzahl zu kommutierender Knotenpunkte führt. Hieraus ergeben sich vergleichsweise kleine Schritte für die Kommutierungswinkel, die mit entsprechend kleiner Winkelauflösung anzusteuern sind. Mit den bekannten Lösungen wäre für die große Anzahl von Kommutierungswinkeln also ein großer technischer Aufwand zu treiben, der sich nicht nur auf die Anzahl von elektronischen Schalterelementen und deren Ansteuerung, sondern auch auf den erheblichen Verdrahtungsaufwand und die Anzahl von Wicklungsanschlüssen bezieht. Um diesen Aufwand bei der technischen Realisierung entscheidend zu senken, wird anstelle einer geraden Anzahl von Wicklungselementen eine ungerade Anzahl eingeführt. Hierdurch wird die Kommutierung nicht mehr gleichzeitig an beiden Polen umgeschaltet, sondern wechselweise in zeitlicher Folge. Bei der bekannten geraden Anzahl von Wicklungselementen würde das zwangsläufig zu einer periodischen Störung der elektrischen Symmetrie beider Wicklungshälften führen. Wird hingegen eine ungerade Anzahl von Wicklungssegmenten wechselweise mit einer geraden und einer ungeraden Zahl von Anzapfungspunkten der beiden Pole kommutiert, so ergeben sich stets zwei gleichgroße Wicklungshälften, die gleichzeitig vom Betriebsstrom durchflossen werden und an der Kraftwirkung beteiligt sind. Durch diese Maßnahme reduziert sich die Anzahl erforderlicher Knotenpunkte mit Schalt- und Ansteuerelementen gegenüber der Anzahl von Ansteuerphasen auf die Hälfte. Weil aber nur die Anzahl der Ansteuerphasen maßgeblich über wesentliche Qualitätsmerkmale wie Maschinenausnutzung, Gleichlauf und maximales Drehmoment entscheidet, wird hierdurch eine deutliche Aufwandssenkung erreicht.For the best possible machine utilization, the angle of rotation component of the transition regions under the pole transitions must be minimized, which leads to a large number of nodes to be commutated. This results in comparatively small steps for the commutation angles, which are to be controlled with a correspondingly small angular resolution. With the known solutions would therefore be a great technical effort to drive for the large number of commutation angles, which relates not only to the number of electronic switch elements and their control, but also on the considerable wiring complexity and the number of winding terminals. In order to significantly reduce this effort in the technical realization, an odd number is introduced instead of an even number of winding elements. As a result, the commutation is no longer switched simultaneously at both poles, but alternately in chronological order. In the known even number of winding elements that would inevitably lead to a periodic disturbance of the electrical symmetry of both winding halves. If, however, an odd number of winding segments alternately commutated with a straight and an odd number of taps of the two poles, so there are always two equal winding halves, which are simultaneously traversed by the operating current and involved in the force effect. By this measure, the number of required nodes reduced with switching and control elements compared to the number of Ansteuerphasen to the half. Because, however, only the number of activation phases is decisive for essential quality features such as machine utilization, synchronization and maximum torque decides, this will result in a significant reduction in costs.

Anhand der Detaillösungen eines prinzipiellen Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der beiliegenden Zeichnungen soll die Erfindung nachstehend erläutert werden. Hierzu wurde bewusst ein leicht zu überschauendes Funktionsmodell ausgewählt, das aber auch technisch realisierbar ist. Gegenstand der Erfindung ist aber eine grundlegende Lehre, die mit dem angegebenen Ausführungsbeispiel nur im Wesentlichen erläutert werden soll. Der Erfindungsgegenstand ist hingegen vorteilhaft auch auf alle weiteren bekannten konstruktiven Grundformen von elektrischen Maschinen mit Ring-, Trommel- und Scheibenwicklung, Innen- und Außenläufer, sowie mit Sondermerkmalen, wie z. B. (halb-)sphärischer Ausbildung des Läufers oder der Verwendung eines magnetischen Doppelspalts zum Zwecke einer besseren Ausnutzung der Wicklungslängen, anwendbar. Auch kann es sich beispielsweise als vorteilhaft erweisen, den magnetischen Rückschluss mit dem permanentmagnetischen Rotor zu verbinden, so dass sich beide gemeinsam drehen, um die Wirbelstromverluste zu senken. Da eine umfassende Darstellung aller denkbaren Ausführungsvarianten nicht möglich ist, eine solche sich dem Fachmann aber auf nahe liegende Art und Weise erschließt, soll an dieser Stelle auf die Anwendbarkeit der hier vermittelten Lehre, bezogen auf alle bekannten konstruktiven Grundformen, ausdrücklich verwiesen werden.Reference to the detail solutions of a basic embodiment with the aid of the accompanying drawings, the invention will be explained below. For this purpose, an easy-to-overlook functional model was deliberately selected, but it is also technically feasible. However, the subject matter of the invention is a fundamental teaching which is to be explained essentially only with the specified exemplary embodiment. The subject invention, however, is advantageous to all other known basic design forms of electric machines with ring, drum and disc winding, inner and outer rotor, and with special features such. B. (semi) spherical training of the rotor or the use of a magnetic double gap for the purpose of better utilization of the winding lengths applicable. It may also prove advantageous, for example, to connect the magnetic yoke to the permanent magnet rotor, so that both rotate together to reduce the eddy current losses. Since a comprehensive presentation of all conceivable embodiments is not possible, but such a closes to the skilled person in an obvious way, it should be made expressly at this point on the applicability of the teaching taught here, based on all known basic constructive forms.

Es zeigen:Show it:

1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Maschine; 1 a schematic representation of a machine according to the invention;

2 ein Verdrahtungsschema einer solchen Maschine in der Ausführung mit 9 Wicklungselementen; 2 a wiring diagram of such a machine in the embodiment with 9 winding elements;

3 das gleiche Verdrahtungsschema in axialer Abwicklung über den Umfang; 3 the same wiring scheme in axial settlement over the circumference;

4 ein einzelnes Schalterelemente-Segment für den Anschluss an Knotenpunkte des Verdrahtungsschemas nach 2 und 3; 4 a single switch element segment for connection to nodes of the wiring diagram 2 and 3 ;

5 den zeitlichen Ablauf der Kommutierung bei der Drehbewegung in einer Richtung; 5 the timing of the commutation during the rotational movement in one direction;

6 ein Demonstrationsmodell mit zwei Hall-Sensoren und dem Abgriff einer Brückenspannung für die Gewinnung der Phasenfehler; 6 a demonstration model with two Hall sensors and the tap of a bridge voltage for the extraction of phase errors;

7 einen Programmablauf zur zeitrichtigen Gewinnung der Kommutierungswinkel aus den Signalen der Hall-Sensoren; 7 a program sequence for the time-correct acquisition of the commutation angle from the signals of the Hall sensors;

8 den zeitlichen Zusammenhang zwischen den Signalen der Hall-Sensoren und den Kommutierungswinkeln; 8th the temporal relationship between the signals of the Hall sensors and the commutation angles;

9 den Gesamt-Stromlaufplan des Ausführungsbeispiels. Gleiche Positionszahlen bezeichnen auch in verschiedenen Zeichnungen gleiche Elemente. 9 the overall circuit diagram of the embodiment. Identical position numbers also designate the same elements in different drawings.

Zur Beschreibung des funktionell-konstruktiven Grundprinzips besteht eine elektrische Maschine gemäß 1 aus einem drehbar gelagerten zylindrischen permanentmagnetischen Rotor 1 und einem um diesen herum ringförmig angeordneten weichmagnetischen Rückschluss 2. Der Rotor enthält an seiner Außenwand zwei rotationssymmetrisch angeordnete, radial komplementär zueinander magnetisierte Magnetpole 3a, 3b, so dass im zylindrischen Luftspalt 4 zwischen beiden ein radial ausgerichtetes magnetisches Feld erzeugt wird, das aus zwei Hälften gegensätzlicher Orientierung mit möglichst kleinen Übergangsbereichen zwischen einander besteht. Wird nun axial durch den Luftspalt ein mit Strom durchflossener elektrischer Leiter, ein so genannter Stab 5, geführt, so bildet sich in bekannter Weise eine elektromotorische Kraft F als Produkt aus Stromfluss und magnetischer Feldstärke heraus, die somit tangential zum Radius als Drehmoment wirkt. Nun werden entlang des Luftspalts viele derartiger Stäbe parallel nebeneinander angeordnet und am magnetischen Rückschluss befestigt, so dass sich deren einzelne, jeweils gleich großen, Drehmomente addieren, solange Feld- und Stromrichtung unverändert bleiben. Wechselt die Feldrichtung für einzelne Stäbe, so muss deren Stromrichtung umgekehrt werden, damit das Drehmoment weiterhin in gleicher Richtung wirkt. 1 zeigt die für die dargestellte Situation richtig zugeordneten Stromrichtungen in der allgemein gebräuchlichen frontalen Darstellungsweise für Vektoren. Abgesehen von dem Übergangsbereich 6 zwischen beiden Feldrichtungen, der klein gegenüber dem sonstigen Umfangsbereich sein soll, wirken also alle Stäbe mit gleichem Anteil auf das Gesamt-Drehmoment. Hierdurch wird eine gute Ausnutzung des magnetischen Feldes in seiner gesamten Ausdehnung entlang des Rotorumfangs und eine gleichmäßige Verteilung auf den magnetischen Rückschluss erreicht.To describe the functional-constructive basic principle, there is an electric machine according to 1 from a rotatably mounted cylindrical permanent magnetic rotor 1 and an annularly arranged around this soft magnetic yoke 2 , The rotor contains on its outer wall two rotationally symmetrical arranged, radially complementary to each other magnetized magnetic poles 3a . 3b , so that in the cylindrical air gap 4 between the two a radially aligned magnetic field is generated, which consists of two halves of opposite orientation with the smallest possible transition areas between each other. Is now axially through the air gap a current flowing through electrical conductor, a so-called rod 5 , guided, as is formed in a known manner, an electromotive force F as a product of current flow and magnetic field strength, which thus acts tangentially to the radius as a torque. Now, many such rods are arranged parallel to each other along the air gap and attached to the magnetic yoke, so that their individual, each equal to add torques, as long as the field and current direction remain unchanged. If the field direction changes for individual bars, their current direction must be reversed so that the torque continues to act in the same direction. 1 shows the current directions correctly assigned to the illustrated situation in the commonly used frontal representation of vectors. Apart from the transition area 6 between the two field directions, which should be small compared to the other peripheral area, so all rods act with the same proportion on the total torque. As a result, a good utilization of the magnetic field in its entire extent along the rotor circumference and a uniform distribution is achieved on the magnetic yoke.

Wie aus 1 zu ersehen ist, kann jedem Stab mit der einen Stromrichtung genau ein Stab mit der entgegengesetzten Stromrichtung zugeordnet, also mit diesem zu einer umlaufenden Windung verbunden, werden. Die diametrale Symmetrie bezogen auf die Drehbewegung legt es dabei nahe, jeweils einander gegenüber liegende Stäbe zu einer so genannten Durchmesserwindung zu verbinden. Damit alle Windungen vom gleichen Strom durchflossen werden, sind diese einfach mit gleichem Wicklungssinn in Reihe geschaltet. Ein Wicklungselement muss dabei nicht zwangsläufig genau eine technische Windung enthalten, sondern kann auch aus mehreren solcher Windungen bestehen, die parallel nebeneinander oder in einem Bündel liegen können. Dreht sich nun der Rotor aus der angegebenen Position heraus, so kehrt sich für einzelne Stäbe nacheinander die Richtung des magnetischen Feldes um. Damit die gleiche Wirkrichtung dieser Stäbe dennoch beibehalten wird, muss sich deren Stromrichtung ebenfalls umkehren. Bei weiterer Entwicklung ergibt sich als zweckmäßigste Lösung ein Verdrahtungsschema nach 2. Hier besteht jede Windung beginnend an einem Knotenpunkt 21 aus einem aufsteigendem Stab 22, einer oberen Verbindung 23, einem abfallendem Stab 24 und einer unteren Verbindung 25, bevor der nächste Knotenpunkt erreicht wird. 3 zeigt diesen Sachverhalt als axiale Abwicklung mit gleichen Positionsnummern. Alle Windungen sind zu einem geschlossenen Kreis mit einheitlichem Wicklungssinn verbunden. Warum hier eine ungerade Zahl von Windungen gezeichnet wurde, wird später noch erläutert werden. Erfolgt nun in den 2, 3 die Stromeinspeisung I entlang diametral gegenüberliegender Verbindungspunkte, z. B. über die Punkte (1), (2), (3), (4), (5), bzw. (1), (9), (8), (7), (6), so werden die entstehenden Wicklungshälften mit einander entgegengesetzter Richtung durchlaufen, wodurch genau die erforderlichen Stromrichtungen entstehen. Dreht sich nun der Rotor weiter, so genügt es, im gleichen Drehsinn die einander gegenüber liegenden Einspeisepunkte für den Strom weiter zu schalten, also z. B. von (1) nach (2), von (5) nach (6) usw.How out 1 can be seen, each rod with the one direction of current exactly one rod assigned to the opposite direction of current, so connected to this to a rotating turn, be. The diametrical symmetry with respect to the rotational movement makes it advisable to connect respective mutually opposite rods to a so-called diameter turn. So that all windings are traversed by the same current, they are simply connected in series with the same winding sense. A winding element must not necessarily contain a single technical winding, but may also consist of several such turns, which may be parallel to each other or in a bundle. If the rotor now turns out of the specified position, the direction of the magnetic field is reversed one after the other for individual rods. In order to maintain the same effective direction of these rods, their current direction must also be reversed. Upon further development, the most expedient solution is a wiring scheme 2 , Here every turn starts at a node 21 from a rising staff 22 , an upper connection 23 , a sloping bar 24 and a lower connection 25 before the next node is reached. 3 shows this situation as axial processing with the same item numbers. All windings are connected to a closed circle with a uniform winding sense. Why an odd number of turns were drawn here will be explained later. Now done in the 2 . 3 the power supply I along diametrically opposite connection points, z. B. on the points (1), (2), (3), (4), (5), or (1), (9), (8), (7), (6), the resulting winding halves with opposite directions, whereby exactly the required current directions arise. Now rotates the rotor, it is sufficient to switch in the same direction of rotation, the opposite feed-in points for the current, so z. From (1) to (2), from (5) to (6), etc.

Diese Aufgabe übernimmt ein elektronischer Kommutator, der aus Schalterelemente-Segmenten gemäß 4 besteht, die für jeden der in 2, 3 bezeichneten Knotenpunkte i = (1) ... (9) vorgesehen sind. Im vorliegenden Beispiel werden also 9 solcher Schalterelemente benötigt. Hier sind ein p-Kanal-MOSFET 31 und ein n-Kanal-MOSFET 32 in Reihe zwischen die positive 33 und die negative 34 Betriebsspannungsschiene geschaltet. Die Eingänge 35, 36 werden unabhängig voneinander angesteuert, wobei der Eingang (iH) low-aktiv und der Eingang (iL) high-aktiv ist. Der Ausgang 37 ist mit dem jeweiligen Knotenpunkt verbunden.This task is performed by an electronic commutator consisting of switch element segments according to 4 exists for each of the in 2 . 3 designated nodes i = (1) ... (9) are provided. In the present example, 9 such switch elements are needed. Here are a p-channel MOSFET 31 and an n-channel MOSFET 32 in a row between the positive ones 33 and the negative 34 Operating voltage rail switched. The inputs 35 . 36 are controlled independently of each other, with the input (iH) being low-active and the input (iL) being high-active. The exit 37 is connected to the respective node.

Beim Übergang der Stäbe von einer magnetischen Feldrichtung in die andere kann sich die Stromrichtung nicht augenblicklich ändern, sondern muss Gelegenheit für einen an die Geschwindigkeit des Feldwechsels angepassten Übergang erhalten. Hierzu ist es zweckmäßig, den jeweiligen Wicklungsteil unmittelbar im Anschluss an den Stromfluss zunächst kurz zu schließen, damit sich der Strom zunächst abbauen und anschließend, verursacht durch die Induktion mit neuer Feldrichtung, in entgegengesetzter Richtung wieder aufbauen kann, bevor dann dieser Wicklungsteil wieder in den Strompfad der Maschine eingeschaltet wird. In 2 ist dafür gerade ein Kurzschluss zwischen den Knotenpunkten (5) und (6) zu sehen. In der nächsten Phase sind dann die gegenüber liegenden Knotenpunkte (1) und (2) kurz geschlossen, danach wieder (6) und (7) usw. An dieser Stelle wird deutlich, warum im Beispiel eine ungerade Zahl von Wicklungselementen gewählt wurde. Hierdurch erreicht der Anteil der umzuschaltenden Windungen zur Gesamtwindungszahl nur (1/i). Je kleiner der Anteil umzuschaltender Wicklungsteile ist, desto kleiner ist auch die Rückwirkung auf das Magnetfeld in der Maschine. Bei einer geraden Anzahl von Wicklungselementen wäre dieser mit (2/i) doppelt so groß. Außerdem verdoppelt sich bei ungerader Zahl die Frequenz der Umschaltvorgänge, wodurch ein ruhigerer, störungsärmerer Lauf erzielt wird. In jedem Fall ist die Kurzschlusszeit an die Breite des Polwechsels anzugleichen. So kann es beispielsweise auch sinnvoll sein, im Wechsel auf einer Seite zwei, auf der gegenüber liegenden Seite aber drei Segmente kurzzuschließen.In the transition of the rods from one magnetic field direction to the other, the current direction can not change instantaneously, but must be given the opportunity for a transition adapted to the speed of the field change. For this purpose, it is expedient to first short the respective winding part immediately after the current flow, so that the current first degrade and then, caused by the induction with new field direction, can rebuild in the opposite direction, before then this winding part again in the Current path of the machine is turned on. In 2 is just a short circuit between the nodes (5) and (6) to see. In the next phase, the opposite nodes (1) and (2) are then closed briefly, then again (6) and (7), etc. At this point, it becomes clear why in the example an odd number of winding elements was selected. As a result, the proportion of the turns to be switched to the total number of turns reaches only (1 / i). The smaller the proportion of umzuschaltender winding parts, the smaller is the reaction to the magnetic field in the machine. With an even number of winding elements, this would be twice as large with (2 / i). In addition, odd numbering doubles the frequency of switching operations, resulting in smoother, smoother running. In any case, the short-circuit time must be adjusted to the width of the pole change. For example, it may also make sense to short-circuit two segments alternately on one side and three segments on the opposite side.

Es zeigt sich, dass ein elektronischer Kommutator nicht einfach nur den mechanischen ersetzen kann, sondern wegen seiner präzisen und komplexen Steuerbarkeit eine Vielzahl weiterer Funktionen ermöglicht.It turns out that an electronic commutator can not just replace the mechanical, but because of its precise and complex controllability allows a variety of other functions.

5 zeigt den zeitlichen Verlauf für das besprochene Beispiel. In der oberen Hälfte sind die Steuerspannungen für die positive Schienenspannung (low-aktiv), in der unteren Hälfte jene für die negative Schienenspannung, bzw. des Bezugspotenzials, (high-aktiv) dargestellt. Die 18 verschiedenen Phasen wurden hier willkürlich mit a, b, ..., r. bezeichnet. Der in 2 gezeichnete Zustand entspricht also der Phase a. In der anschließenden Phase b wird nun gemeinsam mit dem Knotenpunkt (1) auch Knotenpunkt (2) zur positiven Betriebsspannung verbunden, während Knotenpunkt (5) von der negativen Betriebsspannung getrennt wird, so dass nur noch Knotenpunkt (6) mit dieser verbunden bleibt, und so weiter. Wie man sieht, sind zu jedem Zeitpunkt genau (i – 1)/2 Wicklungselemente in Reihe und als Gruppe parallel zueinander am Stromfluss beteiligt, so dass dieser recht konstant ohne größere Schwankungen verläuft. 5 shows the time course for the discussed example. In the upper half, the control voltages for the positive rail voltage (low-active), in the lower half those for the negative rail voltage, and the reference potential, (high-active) are shown. The 18 different phases were here arbitrarily with a, b, ..., r. designated. The in 2 drawn state thus corresponds to the phase a. In the subsequent phase b, node (2) is now also connected to the positive operating voltage together with node (1), while node (5) is disconnected from the negative operating voltage so that only node (6) remains connected to it, and so on. As you can see, exactly (i - 1) / 2 winding elements in series and as a group parallel to each other are involved in the current flow at each instant, so that it runs quite constantly without major fluctuations.

6 zeigt schematisch die Gewinnung des Winkelpositions-Signals für die frequenz- und phasenrichtige Kommutierung. Der Permanentmagnet-Rotor 1 drehe sich mit Nenndrehzahl n. Hierbei wird in der fortlaufenden Statorwicklung 40 ein Drehfeld erzeugt, das mit gleicher Drehzahl n rotiert. Dies erfordert, dass auch der elektronische Kommutator mit dieser „Drehzahl” weiter schaltet. Zur besseren Anschauung stelle man sich vor, die Wicklung werde außen am Umfang mit mechanischen Bürsten 42, 42' kommutiert, die den Betriebsstrom I diametral hindurch leiten. Diese Bürsten müssten über einen Ring 41 mechanisch miteinander verbunden sein und sich synchron mit dem Rotor drehen, um ständig ein gleich wirkendes Drehmoment aufrecht zu erhalten. Diese Funktion der Bürsten und des Rings übernimmt in Wirklichkeit die elektronische Kommutierung mit der Synchronisierung. 6 shows schematically the extraction of the angular position signal for the frequency and phase correct commutation. The permanent magnet rotor 1 rotate at rated speed n. This is in the continuous stator winding 40 generates a rotating field which rotates at the same speed n. This requires that the electronic commutator continues to switch at this "speed". For a better view, imagine that the winding will be outside on the circumference with mechanical brushes 42 . 42 ' commutated, which conduct the operating current I diametrically therethrough. These brushes would need one over ring 41 be mechanically interconnected and rotate synchronously with the rotor to constantly maintain an equal torque acting. This function of the brushes and the ring actually takes over the electronic commutation with the synchronization.

Um eine Synchronisation herbeiführen zu können, werden im gezeigten Beispiel zunächst zwei Hall-Sensoren 44, 44' so im Winkel zueinander angeordnet, dass zu jeder Zeit die Rotorstellung als Quadrantenzuordnung ableitbar ist. Im Falle dieser Zweipol-Maschine sind dies also 90°. Für einen sicheren Anlauf genügt es nun zunächst, die Bürsten in Abhängigkeit vom Signal der Hallsensoren ebenfalls mit einem Winkelschritt von (etwa) 90° zu kommutieren.In order to be able to bring about a synchronization, in the example shown, first two Hall sensors 44 . 44 ' arranged at an angle to each other, that at any time the rotor position as a quadrant assignment is derivable. In the case of this two-pole machine, this is 90 °. For a safe start, it is sufficient to first commute the brushes with an angle step of (approximately) 90 °, depending on the signal from the Hall sensors.

Um nun die gemäß 5 vorgesehenen 18 Kommutierungs-Phasen zur richtigen Zeit zu erzeugen, werden die Quadranten-Informationen weiter verarbeitet. 7 zeigt einen möglichen Programmablauf zur Gewinnung der Kommutierungswinkel gemäß Ausführungsbeispiel. Das Fragment a) eines Hintergrundprogramms wird mit einem Zähltakt, dessen Frequenz ein Vielfaches der höchsten Übergangsfrequenz der Einzelphasen beträgt, periodisch gestartet. Die Periodendauer dieses Zähltakts bestimmt auch den von der Zeitdiskretisierung verursachten Restfehler der Kommutierung-Zeiten. Bei jedem Aufruf wird ein Quadranten-Zähler z₁ inkrementiert und ein Phasen-Zähler z₂ dekrementiert. Falls letzterer Null erreicht, wird die Kommutierungs-Phase weiter geschaltet und der Phasenzähler mit seinem Anfangswert neu geladen. Wurde seit dem letzten Aufruf ein Quadranten-Übergang erkannt, so wird die zugehörige Phase direkt auf den zugehörigen Wert gesetzt. Ist der Quadranten-Übergang gleichzeitig ein Phasenübergang, so wird auch der Phasen-Zähler neu geladen. Bei jedem Phasenübergang eines der beiden Hall-Sensoren, also nach jeweils 90°, wird das Unterprogramm b) aufgerufen. Aus einem Zähler z₁ wird die zurückliegende Zeit seit dem letzten Phasenübergang als Quadranten-Periode q bestimmt und der Zähler zurückgesetzt. Hieraus errechnet sich die Phasendauer p als Zähler-Anfangswert für z₂. Weil im Beispiel ein Quadrant aus 4,5 Einzelphasen besteht, erfolgt hier eine Division mit diesem Quotienten. Um diesen Ablauf besonders für Beschleunigungs- und Abbremsphasen noch weiter zu verbessern, kann aus der Analyse der aufeinander folgenden Quadranten-Perioden zusätzlich eine der Beschleunigung äquivalente Größe ermittelt und so als Vorhersage mit eingerechnet werden, dass der daraus errechnete Korrekturwert bei konstanter Drehzahl gegen Null konvergiert. Es ist zu erkennen, dass hier eine typische PLL-Funktion mit programmtechnischen Mitteln nachgebildet wird: In b) wird die Taktfrequenz ständig nachgeregelt, während in a) die eigentliche Takterzeugung stattfindet. Bemerkenswert an diesem Programmbeispiel ist, dass die Quadrantenübergänge, die bei jeder Drehzahl wie auch bei Stillstand sicher bestimmt werden können, eine Vorrangfunktion erhalten, so dass in jedem denkbaren Betriebszustand stets zumindest die Quadrantenzugehörigkeit gewährleistet bleibt. So ist im ungünstigsten Fall ein ungleichmäßiger Lauf, jedoch niemals ein Abriss der Bewegung möglich.Order now according to 5 In order to generate 18 commutation phases at the right time, the quadrant information is further processed. 7 shows a possible program sequence for obtaining the commutation angle according to the embodiment. The fragment a) of a background program is periodically started with a counting clock whose frequency is a multiple of the highest crossover frequency of the individual phases. The period duration of this count clock also determines the residual error of the commutation times caused by the time discretization. With each call, a quadrant counter z _{1 is} incremented and a phase counter z _{2 is} decremented. If the latter reaches zero, the commutation phase is switched further and the phase counter reloaded with its initial value. If a quadrant transition has been detected since the last call, the associated phase is set directly to the associated value. If the quadrant transition is also a phase transition, the phase counter is also reloaded. At each phase transition of one of the two Hall sensors, ie after every 90 °, subroutine b) is called. From a counter z ₁ , the past time since the last phase transition is determined as a quadrant period q and the counter is reset. From this, the phase duration p is calculated as the counter initial value for z ₂ . Because in the example a quadrant consists of 4.5 individual phases, here a division takes place with this quotient. In order to further improve this process, in particular for acceleration and deceleration phases, an acceleration-equivalent quantity can additionally be determined from the analysis of the consecutive quadrant periods and thus taken into account as a prediction that the correction value calculated therefrom converges to zero at constant rotational speed , It can be seen that here a typical PLL function is simulated with program-technical means: In b) the clock frequency is constantly readjusted, while in a) the actual clock generation takes place. A noteworthy feature of this program example is that the quadrant transitions, which can be reliably determined at any speed as well as at standstill, receive a priority function, so that at least the quadrants are always guaranteed in every conceivable operating state. Thus, in the worst case, an uneven run, but never a demolition of the movement possible.

In 8 wird der Phasenzusammenhang zu den Signalen der Hall-Sensoren verdeutlicht. Dargestellt ist eine konstante Drehzahl mit einem anfänglich zu großen Wert für die Phasendauer. Beim Übergang vom Quadranten I nach II erfolgt gemäß 7 eine Neuberechnung der Periodendauer p und die Synchronisation der Einzelphasen, die einen sofortigen Übergang von Phase c auf e bewirkt. Im Ergebnis werden also die Phasenpositionen a ... r gemäß 5 bezüglich der geometrischen Anordnung korrekt bestimmt.In 8th the phase relationship to the signals of the Hall sensors is clarified. Shown is a constant speed with an initially too large value for the phase duration. In the transition from quadrant I to II according to 7 a recalculation of the period p and the synchronization of the individual phases, which causes an immediate transition from phase c to e. As a result, therefore, the phase positions a ... r according to 5 correctly determined with respect to the geometric arrangement.

Um den Phasenwinkel so zu optimieren, dass auch last- und drehzahlabhängige Polverschiebungen berücksichtigt werden, wird gemäß 6 rechtwinklig zum Betriebsstrompfad über die Bürsten 43, 43', die ebenfalls am Ring 41 befestigt seien und so mit den Bürsten 42, 42' synchron laufen, ein Fehlersignal als Differenzspannung 45 gewonnen und ausgewertet. Für die zeitlich richtige Zuordnung der Knotenpunkte zur Auswertung werden vorzugsweise Analog-Multiplexer eingesetzt, die vom Mikrocontroller adressiert werden und dessen Analogspannungs-Eingang die jeweils richtige Differenzspannung zuführen. Jede messbare Differenzspannung 45 ist eine vorzeichenrichtige Information über eine Abweichung des Kommutierungswinkels zum momentanen Optimum. Deshalb wird diese über ein Integrierglied geglättet und direkt als Phasenverschiebung in die Kommutierungszeitpunkte eingerechnet. Hierzu dient eine Verzögerungsfunktion, deren Zeitkonstante aus gültiger Drehzahl und Phasenverschiebung bestimmt wird.In order to optimize the phase angle so that load- and speed-dependent pole shifts are also taken into account, according to 6 perpendicular to the operating current path via the brushes 43 . 43 ' who are also on the ring 41 be attached and so with the brushes 42 . 42 ' run synchronously, an error signal as a differential voltage 45 won and evaluated. For the correct timing of the nodes for evaluation preferably analog multiplexers are used, which are addressed by the microcontroller and the analog voltage input each supplying the correct differential voltage. Every measurable differential voltage 45 is a sign-correct information about a deviation of the commutation angle to the current optimum. Therefore, this is smoothed by an integrator and included directly as a phase shift in the commutation. This is done by a delay function whose time constant is determined from the valid speed and phase shift.

Es ist nicht immer notwendig, ebenso viele Multiplexerkanäle wie Knotenpunkte vorzusehen, weil die zu benutzenden Knotenpunkte nicht unbedingt in der Mitte des Strompfades liegen müssen. Es genügt, wenn die beiden Knotenpunkte symmetrisch zur Stromrichtung liegen, um ein Brücken-Null zu erreichen.It is not always necessary to provide as many multiplexer channels as nodes because the nodes to be used need not necessarily be in the middle of the rung. It is sufficient if the two nodes are symmetrical to the current direction to reach a bridge zero.

9 vermittelt die Gesamtübersicht eines auf der Basis eines Mikrocontrollers ausgeführten Anwendungsbeispiels mit einem gebräuchlichen 8-Bit-Mikrocontroller 50 den Multiplexern 51 und allen anderen bereits erklärten Positionszahlen. 9 provides an overview of an application example based on a microcontroller with a common 8-bit microcontroller 50 the multiplexers 51 and all other previously declared position numbers.

Der Einfachheit halber wird das Ausführungsbeispiel als zweipolige Maschine angegeben. Bei mehrpoligen Maschinen werden alle für dieses Beispiel genannten Winkel entsprechend konvertiert: Der Winkel zwischen beiden Hall-Sensoren wird mit der halben Polzahl geteilt; die Wicklungsteile dem entsprechend ausgelegt.For the sake of simplicity, the embodiment is given as a bipolar machine. For multi-pole machines, all the angles given for this example are converted accordingly: the angle between the two Hall sensors is divided by half the number of poles; the winding parts designed accordingly.

Claims (7)

Gleichstrom-Maschine mit elektronischer Kommutierung, bestehend zumindest aus – einem Permanentmagnet-Läufer, – einem Stator mit einer fortschreitenden elektrischen Wicklung, die aus einer Anzahl gleichartiger Wicklungselemente, die zyklisch in Reihe geschaltet sind und deren Wicklungsenden in Knotenpunkten miteinander verbunden sind, besteht, – einem elektronischen Kommutator, dessen steuerbare Schalterelemente bipolar zwischen jedem dieser Knotenpunkte und den Betriebsstromschienen angeordnet sind, – einem Phasenreferenz-Generator, der ein Phasen-Taktsignal so auf die Schalterelemente verteilt, dass eine zyklische Folge von Schaltvorgängen erzeugt wird, die sich synchron und phasenrichtig zur Bewegung des Läufers verhält, und – einem Phasenregelkreis zur phasenrichtigen Synchronisation zwischen Läufer und Drehfeld, der die mit einem konstanten Divisor heruntergeteilte Frequenz des Phasen-Taktsignals mit dem Signal von einem oder einigen wenigen Läufer-Positionsgebern, deren Anzahl kleiner ist als die Anzahl zu unterscheidender Kommutator-Phasen, phasenrichtig vergleicht und nachregelt, und – zwei Positionsgebern, die entlang der Bewegungsrichtung des Läufers in einem geometrischen Abstand von einer halben Polweite des Läufers angeordnet sind, so dass aus den Signalen beider Positionsgeber stets der Quadrant der magnetischen Läuferposition gewinnbar ist, wobei stets bei wenigstens einem der vier auftretenden Quadrantenübergänge, die von den Positionsgebern während jeder magnetischen Drehperiode gewonnen werden, ein Übergang auf die diesem Übergang zuzuordnende Kommutierungsphase in einer Vorrangfunktion gegenüber der regelmäßigen Kommutierungsphase des Phasenregelkreises erfolgt.DC machine with electronic commutation, consisting of at least A permanent magnet rotor, A stator with a progressive electrical winding consisting of a number of similar winding elements, which are connected in series in a cyclic manner and whose winding ends are connected to one another in nodes, An electronic commutator whose controllable switch elements are arranged bipolarly between each of these nodes and the operating busbars, - A phase reference generator which distributes a phase clock signal to the switch elements, that a cyclic sequence of switching operations is generated, which behaves in sync and in-phase to the movement of the rotor, and - A phase-locked loop for in-phase synchronization between rotor and rotating field, which compares the down-converted with a constant divisor frequency of the phase clock signal with the signal from one or a few rotor position sensors whose number is smaller than the number of commutator phases to be distinguished in the correct phase and retraces, and Two position sensors, which are arranged along the direction of movement of the rotor at a geometrical distance of half the pole width of the rotor, so that the quadrant of the magnetic rotor position can always be obtained from the signals of both position sensors, wherein at least one of the four occurring quadrant transitions, which are obtained by the position encoders during each magnetic rotation period, a transition to the commutation phase to be assigned to this transition takes place in a priority function with respect to the regular commutation phase of the phase locked loop. Gleichstrom-Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenregelkreis mittels eines Programm-Moduls in einem Mikroprozessor oder Mikrocontroller realisiert wird.DC machine according to claim 1, characterized in that the phase locked loop is realized by means of a program module in a microprocessor or microcontroller. Gleichstrom-Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsgeber als Hall-Sensoren ausgeführt sind.DC machine according to claim 1 or 2, characterized in that the position sensors are designed as Hall sensors. Gleichstrom-Maschine mit elektronischer Kommutierung, bestehend zumindest aus – einem Permanentmagnet-Läufer, – einem Stator mit einer fortschreitenden elektrischen Wicklung, die aus einer Anzahl gleichartiger Wicklungselemente, die zyklisch in Reihe geschaltet sind und deren Wicklungsenden in Knotenpunkten miteinander verbunden sind, besteht, – einem elektronischen Kommutator, dessen steuerbare Schalterelemente bipolar zwischen jedem dieser Knotenpunkte und zwei Betriebsstromschienen angeordnet sind und somit einen auf zwei symmetrische Teilzweige aufgespaltenen, in seiner Lage in der Wicklung zeitlich veränderlichen Betriebsstrompfad durch die Wicklung bilden, wobei zum Zwecke einer lastabhängigen phasenrichtigen Synchronisation zwischen Läufer und Drehfeld ein Regelkreis vorhanden ist, dessen Regelgröße die Winkeldifferenz zwischen Kommutierungsphase und mechanischer Läuferposition ist und dessen Regelabweichung direkt aus der Brückenspannung zwischen zwei quer und symmetrisch zum momentan vorhandenen Betriebsstrompfad liegenden, mittels elektronischer, synchron zum elektronischen Kommutator geschalteter, Signalmultiplexer abgetasteten, Knotenpunkten gewonnen wird.DC machine with electronic commutation, consisting of at least A permanent magnet rotor, A stator with a progressive electrical winding consisting of a number of similar winding elements, which are connected in series in a cyclic manner and whose winding ends are connected to one another in nodes, An electronic commutator, the controllable switch elements of which are arranged bipolarly between each of these nodes and two operating busbars and thus form an operating current path through the winding which is split in time into its position in the winding and split into two symmetrical partial branches, wherein for the purpose of a load-dependent in-phase synchronization between rotor and rotating field, a control loop is present whose controlled variable is the angular difference between Kommutierungsphase and mechanical rotor position and its deviation directly from the bridge voltage between two transverse and symmetrical lying to the currently existing operating current path, by electronic, synchronous to the electronic Commutator switched, signal multiplexer sampled, node points is obtained. Gleichstrom-Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkreis PI-Verhalten aufweist.DC machine according to claim 4, characterized in that the control loop has PI behavior. Gleichstrom-Maschine mit elektronischer Kommutierung, bestehend zumindest aus – einem Permanentmagnet-Läufer, – einem Stator mit einer fortschreitenden elektrischen Wicklung, die aus einer ungeraden Anzahl gleichartiger Wicklungselemente, die zyklisch in Reihe geschaltet sind und deren Wicklungsenden in Knotenpunkten miteinander verbunden sind, besteht, – einem elektronischen Kommutator, dessen steuerbare Schalterelemente bipolar zwischen jedem dieser Knotenpunkte und zwei Betriebsstromschienen angeordnet sind und durch Kommutierung von Schalterelementen elektrisch diametral gegenüber liegender, mit der Wicklung verbundener, Einspeisepunkte einen auf zwei symmetrische Teilzweige aufgespaltenen, in seiner Lage in der Wicklung zeitlich veränderlichen, Betriebsstrompfad durch die Wicklung bilden, wobei die Kommutierung derart erfolgt, dass in Abhängigkeit von der Läuferstellung zwischen beiden Einspeisepunkten abwechselnd ein Wicklungselement an einem ersten der beiden Einspeisepunkte kurzgeschlossen wird und die beiden Knotenpunkte des kurzgeschlossenen Wicklungselements mit der ersten Betriebsstromschiene verbunden werden, und dass gleichzeitig am diametral gegenüber liegenden zweiten Einspeisepunkt der Knotenpunkt mit der anderen Betriebsstromschiene verbunden wird und erster und zweiter Einspeisepunkt ständig diese Funktion tauschen.DC machine with electronic commutation, consisting at least of - a permanent magnet rotor, A stator having a progressive electrical winding consisting of an odd number of like winding elements connected in series and having their winding ends connected in nodes, an electronic commutator whose controllable switch elements are bipolar between each of these nodes and two operating busbars are arranged and formed by commutation of switch elements electrically diametrically opposite, connected to the winding, feed points split into two symmetrical sub-branches, in its position in the winding time-varying, operating current path through the winding, wherein the commutation is such that, depending on the rotor position between two feed points alternately a winding element at a first of the two feed points is short-circuited and the two nodes of the short-circuited winding element with the first B be connected operating bus, and that at the same time at the diametrically opposite second feed point, the node is connected to the other operating busbar and first and second feed point constantly exchange this function. Gleichstrom-Maschine mit elektronischer Kommutierung, bestehend zumindest aus – einem Permanentmagnet-Läufer, – einem Stator mit einer fortschreitenden elektrischen Wicklung, die aus einer ungeraden Anzahl gleichartiger Wicklungselemente, die zyklisch in Reihe geschaltet sind und deren Wicklungsenden in Knotenpunkten miteinander verbunden sind, besteht, – einem elektronischen Kommutator, dessen steuerbare Schalterelemente bipolar zwischen jedem dieser Knotenpunkte und zwei Betriebsstromschienen angeordnet sind und durch Kommutierung von Schalterelementen elektrisch diametral gegenüber liegender, mit der Wicklung verbundener, Einspeisepunkte einen auf zwei symmetrische Teilzweige aufgespaltenen, in seiner Lage in der Wicklung zeitlich veränderlichen, Betriebsstrompfad durch die Wicklung bilden, wobei die Kommutierung derart erfolgt, dass in Abhängigkeit von der Läuferstellung zwischen beiden Einspeisepunkten abwechselnd wenigstens drei Wicklungselemente an einem ersten der beiden Einspeisepunkte kurzgeschlossen werden und die Knotenpunkte der kurzgeschlossenen Wicklungselemente mit der ersten Betriebsstromschiene verbunden werden, und dass gleichzeitig am diametral gegenüber liegenden zweiten Einspeisepunkt ein Wicklungselement weniger als am ersten Einspeisepunkt kurzgeschlossen und die Knotenpunkte der kurzgeschlossenen Wicklungselemente mit der anderen Betriebsstromschiene verbunden werden und erster und zweiter Einspeisepunkt ständig diese Funktion tauschen.DC machine with electronic commutation, consisting of at least A permanent magnet rotor, A stator with a progressive electrical winding consisting of an odd number of similar winding elements connected in series in a cyclic manner and whose winding ends are interconnected in nodes; An electronic commutator whose controllable switch elements are arranged bipolarly between each of these nodes and two operating busbars, and which are split into two symmetrical sub-branches by commutation of switch elements electrically diametrically opposite, connected to the winding, time-varying in their position in the winding, Make operating current path through the winding, wherein the commutation is such that depending on the rotor position between two feed points alternately at least three winding elements are short-circuited at a first of the two feed points and the nodes of the short-circuited winding elements are connected to the first operating busbar, and that at the same time at the diametrically opposite second feed point Winding element is less shorted than at the first feed point and the nodes of the short-circuited winding elements are connected to the other operating busbar and first and second feed point constantly exchange this function.

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