DE102011110971A1

DE102011110971A1 - Motorsteuerung

Info

Publication number: DE102011110971A1
Application number: DE102011110971A
Authority: DE
Inventors: Martin Winker; Guido Schmid; Jérome Pierre
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2011-07-26
Filing date: 2011-07-26
Publication date: 2013-01-31

Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Ansteuerschaltung (1) für einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit mehreren Motorphasen. Die Ansteuerschaltung (1) weist eine Brückenschaltung mit jeweils zwei Schaltelementen (7) pro Motorphase auf. Zur Lageerkennung des Rotors weist die Ansteuerschaltung (1) drei Hall-Sensoren (6) auf, die mit den Schaltelementen (7) und einer Steuereinheit (8) auf einer Seite einer Leiterplatte (2) in Chip-on-Board Technik angeordnet sind.

Description

Die Erfindung beschreibt eine Ansteuerschaltung zur Ansteuerung eines mehrphasigen, bürstenlosen Gleichstrommotors (BLDC-Motor) mit einer Brückenschaltung mit jeweils zwei Schaltelementen für jede Motorphase, mit mindestens einem Lagesensor zur Bestimmung der Rotorlage und einer Steuereinheit zur Auswertung des Lagesensors und zum Ansteuern der Schaltelemente.
BLDC-Motoren haben gegenüber Bürstenmotoren den Vorteil, dass kein mechanischer Kommutator und damit keine Kohlebürsten und keine Verschleißteile vorhanden sind. Stattdessen wird der Strom beispielsweise über eine dreiphasige elektronische Vollbrückenschaltung an die einzelnen Motorphasen verteilt.
Als Schaltelemente können beispielsweise Leistungstransistoren verwendet werden. Diese werden aus Platzgründen meist getrennt von der Steuereinheit auf einer separaten Leiterplatte angeordnet, auch damit die Kühlung gewährleistet ist.
Zur Kommutierung des BLDC-Motors ist zudem eine Information über die Rotorlage notwendig, damit die Motorphasen in der richtigen Reihenfolge bestromt werden können. Dazu kann der Motor einen oder mehrere Lagesensoren aufweisen, beispielsweise Hall-Sensoren zur Erfassung des Magnetfeldes eines speziellen Sensormagneten. Die Hall-Sensoren können jedoch auch direkt am Antriebsmagneten angeordnet werden, damit dessen Streufeld registriert wird. Da das Streufeld sehr schwach ist, müssen die Hall-Sensoren sehr nahe am Antriebsmagneten angeordnet werden. Die Hall-Sensoren müssen daher beispielsweise auf einer separaten Leiterplatte, am Motorgehäuse oder am Stator angeordnet werden, wodurch die Montage des Motors aufwändiger und teurer wird.
Damit die Ansteuerschaltung vollständig mit allen Teilen im Motor-Gehäuse angeordnet werden kann, muss der Motor entsprechend groß sein. Für verschiedene Anwendungen ist der für den Motor zur Verfügung stehende Einbauraum jedoch begrenzt, so dass es notwendig ist, dass der Motor kleiner ist. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem Teile der Ansteuerschaltung, beispielsweise die Leistungsschalter, außerhalb des Motors angeordnet werden. Dies ist jedoch nicht immer möglich.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Ansteuerschaltung zu schaffen, die wesentlich kompakter ist und daher einfacher in einen Motor integrierbar ist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass beispielsweise mehrere Hall-Sensoren als Lagesensor, die Schaltelemente und die Steuereinheit auf einer Seite einer Leiterplatte in Chip-on-Board (COB) Technik angeordnet sind, wobei die Schaltelemente in Paaren je Motorphase angeordnet sind und die Hall-Sensoren und die Schaltelement-Paare jeweils abwechselnd nebeneinander, kreisbogenförmig angeordnet sind. Im Vergleich zum Stand der Technik ist die erfindungsgemäße Ansteuerschaltung auf einer einzigen kompakten Leiterplatte aufgebaut. Dabei können weitere benötigte diskrete Bauteile auf der Rückseite der Leiterplatte angeordnet sein. Die Ansteuerschaltung in Chip-on-Board Technik ist sehr kompakt, so dass die Leiterplatte im Motor unmittelbar so angeordnet werden kann, dass die Hall-Sensoren das Streufeld der Antriebsmagnete erfassen. Somit ist kein zusätzlicher Lagemagnet erforderlich.
Durch die kreisbogenförmige, alternierende Anordnung der Hall-Sensoren und der Schaltelement-Paare wird eine optimale Wärmeabfuhr von den Schaltelementen gewährleistet. Es kann eine Ansteuerschaltung mit einer hohen Leistungsdichte realisiert werden.
Vorzugsweise sind die Hall-Sensoren in einem 120° Abstand zur Periode des Antriebsmagneten angeordnet. Dadurch sind die Sensoren bei Antriebsmagneten mit mehr als einem Polpaar um ganze Perioden auf der Leiterplatte verschiebbar.
In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist die Ansteuerschaltung zum Ansteuern von drei Motorphasen ausgebildet. Die dreiphasige Vollbrückenschaltung hat dabei insgesamt sechs Schaltelemente.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung weist die Ansteuerschaltung drei Hall-Sensoren auf, die zur Erfassung des Streufeldes des Antriebsmagneten ausgebildet sind. Dies ist durch die Anwendung der Chip-on-Board Technik möglich, da dadurch die Bauteile auf der Leiterplatte so flach sind, dass die Leiterplatte nahe genug am Antriebsmagneten platziert werden kann.
In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung weist der Antriebsmagnet eine zusätzliche Freisparung auf und ist in dem Bereich, der den Lagesensoren gegenüber liegt, axial in Richtung der Lagesensoren hervorstehend ausgebildet Insbesondere zweckmäßig ist es, wenn die Ansteuerschaltung eine Bus-Schnittstelle aufweist. Für Anwendungen in Automobilen kann die Ansteuerschaltung beispielsweise mit einer LIN-Bus-Schnittstelle ausgestattet sein.
Aufgrund der kompakten Abmessungen kann die Ansteuerschaltung weitere Funktionen integrieren, insbesondere einen Verpolschutz und/oder einen EMV-Filter.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beiliegenden Bilder näher erläutert.
Es zeigt:
1 eine Schrägansicht der Chip-on-Board Seite der Leiterplatte einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung,
1a die Anordnung der Leiterplatte im Bezug zum Antriebsmagneten,
2 eine Schrägansicht der Rückseite der Leiterplatte und
3 eine schematische Darstellung der Chip-on-Board Seite der Leiterplatte.
Die 1 zeigt eine vorzugsweise Ausführung einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung 1 für einen dreiphasigen BLDC-Motor mit 24 mm Außendurchmesser (nicht gezeigt).
Die Leiterplatte 2, auf der die Ansteuerschaltung aufgebaut ist, weist demnach einen im Wesentlichen kreisrunden Umfang auf, der innerhalb des Motors angeordnet werden kann. Die Leiterplatte 2 hat weiterhin einen rechteckigen Fortsatz 3, an dem ein Steckverbinder 4 zur Aufnahme eines Steckers angeordnet ist, der außerhalb des Motors liegt.
Auf der gezeigten Chip-on-Board Seite 5 der Leiterplatte 2 sind drei Hall-Sensoren als Lagesensor 6, sechs MOSFET-Schalter als Schaltelemente 7, ein Mikrokontroller als Steuereinheit 8 und ein Verpolschutz-Baustein 9 angeordnet. Die Schaltelemente 7 sind dabei für jede Motorphase in Schaltelement-Paaren 10 radial übereinander angeordnet. Die Schaltelement-Paare 10 und die Hall-Sensoren 6 sind abwechselnd kreisbogenförmig nebeneinander angeordnet. Die Hall-Sensoren 6 sind dabei vorzugsweise in einem 120° Abstand zur Periode des Antriebsmagneten des Motors ausgerichtet. Die Bauteile auf dieser Chip-on-Board Seite 5 der Leiterplatte 2 werden als Teil der Chip-on-Board Technik mit einer Vergussmasse 12 bedeckt, wie in 1a gezeigt ist. Dort ist ein Ausschnitt aus der Anordnung der Leiterplatte 2 im Motor in Bezug zu Antriebsmagnet 13, Stator 14 und Welle 15 dargestellt. Die Anordnung der MOSFET-Schalter ermöglicht es auch, die Drahtführung von Stator zu Leiterplatte gerade zu gestalten.
Alle Bauteile auf der Chip-on-Board Seite 5 sind sehr flach, so dass die Leiterplatte 2 im Motorgehäuse unmittelbar am Antriebsmagneten 13 angeordnet werden kann, so dass die Hall-Sensoren als Lagesensor 6 das Streufeld des Antriebsmagneten 13 erfassen können. Aus diesem Grund ist kein zusätzlicher Sensor-Magnet erforderlich.
Der Antriebsmagnet 13 kann als zylindrischer Körper mit einem Freiraum für die Welle gestaltet sein oder eine zusätzliche Freisparung aufweisen und nur in dem Bereich, der den Lagesensoren 6 gegenüber liegt, axial in Richtung der Lagesensoren 6 hervorstehend ausgebildet sein.
Die Rückseite 11 der Leiterplatte 2 ist in 2 gezeigt. Auf der Rückseite 11 sind alle weiteren diskreten und/oder passiven Bauteile der Ansteuerschaltung 1 angeordnet, die nicht in Chip-on-Board Technik realisierbar sind.
Insgesamt kann die Ansteuerschaltung 1 auf nur einer einzigen Leiterplatte 2 angeordnet werden. Sie ist damit im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich kompakter und kostengünstiger herstellbar. Die Leiterplatte kann daher in einen Motor integriert werden, ohne dass die Motorabmessungen dadurch wesentlich größer werden.
Zusätzlich kann die Steuerschaltung 1 je nach vorgesehener Anwendung weitere Funktionen wie beispielsweise eine Bus-Schnittstelle und/oder ein EMV-Filter oder andere vorteilhafte Funktionen aufweisen.
In 3 ist die Anordnung der einzelnen Bauteile auf der Chip-on-Board Seite 5 der Leiterplatte 2 noch einmal deutlicher gezeigt.
Die Erfindung ist nicht auf die gezeigte Ausführung beschränkt. Die erfindungsgemäße Ansteuerschaltung kann auch zum Ansteuern für weniger oder mehr Motorphasen ausgebildet sein. Ebenso können als Lagesensor ein oder mehrere andere Sensoren vorhanden sein.
Weiterhin ist die Form der Leiterplatte im Wesentlichen an die Form des Motorgehäuses angepasst und für die Funktion der Erfindung im Wesentlichen unerheblich.
Bezugszeichenliste

1: Ansteuerschaltung
2: Leiterplatte
3: rechteckiger Fortsatz
4: Steckverbinder
5: Chip-on-Board Seite der Leiterplatte
6: Lagesensor
7: Schaltelement
8: Steuereinheit
9: Verpolschutz-Baustein
10: Schaltelement-Paar
11: Rückseite der Leiterplatte
12: Vergussmasse
13: Antriebsmagnet
14: Stator
15: Welle

Claims

Ansteuerschaltung zur Ansteuerung eines mehrphasigen, bürstenlosen Gleichstrommotors mit einer Brückenschaltung mit jeweils zwei Schaltelementen (7) für jede Motorphase, mit mindestens einem Lagesensor (6) zur Bestimmung der Rotorlage und mindestens einer Steuereinheit (8) zur Auswertung des Lagesensors (6) und zum Ansteuern der Schaltelemente (7), dadurch gekennzeichnet, dass einer oder mehrere Lagesensoren (6) und/oder die Schaltelemente (7) und/oder die Steuereinheit (8) auf einer Seite einer Leiterplatte (2) in Chip-on-Board (COB) Technik angeordnet sind.
Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (6) in Paaren (10) je Motorphase angeordnet sind und die Lagesensoren (6) und die Schaltelement-Paare (10) jeweils abwechselnd nebeneinander, kreisbogenförmig angeordnet sind.
Ansteuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorsteuerung zum Ansteuern von drei Motorphasen ausgebildet ist und drei Schaltelement-Paare (10) aufweist.
Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagesensor 6 ein Hallsensor ist.
Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerschaltung drei Hall-Sensoren (6) zur Erfassung des Streufeldes des Antriebsmagneten aufweist.
Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerschaltung eine Bus-Schnittstelle aufweist.
Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerschaltung einen Verpolschutz (9) und einen EMV-Filter aufweist.
Bürstenloser Gleichstrommotor mit einer Ansteuerschaltung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Bürstenloser Gleichstrommotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmagnet (13) eine zusätzliche Freisparung aufweist, so dass der Bereich, der den Lagesensoren (6) gegenüber liegt, axial in Richtung der Lagesensoren (6) hervorstehend ausgebildet ist.