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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein kostengünstiges elektrisches System,
das aus einem neuen bürstenlosen,
permanentmagneterregten Gleichstrommotor und seiner elektronischen
Ansteuerung besteht, die eine hocheffiziente Arbeitsweise und eine
geringe Drehmomentwelligkeit für
die Motorisierung von Elektrofahrzeugen, wie Fahrräder, Rollstühle, Roller,
Dreiradwägen,
Golfwägen,
Förderkarren und
kleine Nutzfahrzeuge bereitstellt.
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Der
Motor und sein elektronisches System werden von einer oder mehreren
Batterien versorgt. Der Fahrzeugradantrieb kann direkt sein, um
den Wirkungsgrad zu maximieren, oder mit einem Drehzahlreduzierer
ausgestattet sein, um die Motorgröße zu minimieren. Die vorgeschlagene
Lösung
benutzt einen permanentmagneterregten Dreiphasenmotor, der das Vierfache
des Nenndrehmoments erreichen kann. Dieser Motoraufbau umfasst einen äußeren Läufer, der
in ein Fahrzeugrad eingepasst sein kann. Er kann als ein Motor oder
Generator mit Energierückgewinnung
in der Batterie während
Bremsperioden oder um Elektrizität
zur Wiederaufladung der Batterie oder zur Energiebeaufschlagung
anderer Einrichtungen durch Ändern
des Motors verwendet werden. Dieser Motoraufbau wird von einem über PWM
(Pulsweitenmodulation) stromgesteuerten Inverter versorgt. Der Bediener
kann den Grad des Maschinendrehmoments im Motor- oder Generatorbetrieb
aufzwingen, indem er eine Stromreferenz einstellt. Die Form der
Wechselphasen-Stromwellenform ist rechteckig mit einer Breite von
120 elektrischen Graden. Diese Art von Motorversorgung ist die am
einfachsten zu realisierende und reduziert die Kosten des Steuerungssystems
und die Anzahl von Sensoren.
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Der
bürstenlose
Motor umfasst einen zylindrischen äußeren Läufer, wobei Permanentmagnete an
der Oberfläche
montiert sind, und einen internen Ständer mit Spulen aus isoliertem
Draht, der um die Zähne
herumgewickelt ist. Es gibt zweiundzwanzig Magnetpole an dem Läufer, die
abwechselnd Nord und Süd
magnetisiert sind, und vierundzwanzig Nuten an dem Ständer. Diese
Kombination von Nuten und Polen für einen Dreiphasen-Motoraufbau erlaubt die
Realisierung einer speziell konzentrierten Wicklung um die Zähne herum
mit nur einer Spule pro Nut. In diesem Fall gibt es nur zwölf Spulen
zu realisieren. Der Wicklungskoeffizient und der Kupferfüllfaktor sind
höher als
bei den anderen bekannten Lösungen, die
von Konecny,
U.S.-Patent Nr.
4 774 428 , Huang et al.,
U.S.-Patent
Nr. 5 675 196 , und Katsuma et al.,
U.S.-Patent Nr. 4 719 378 beschrieben
sind, die eine Wicklung mit zwei Spulen pro Nut verwenden.
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Diese
Wicklungsart mit einer Spule pro Nut vereinfacht den Zusammenbau
der Läuferstellungssensoren
(d. h. Hall-Detektoren) in der Nähe
des Luftspaltes. Die Hall-Detektoren sind an der Seite von mehreren
Zähnen,
die keine Wicklung aufweisen, befestigt, und sie verwenden den Streufluss
der Permanentmagnete, um die Läuferstellung
zu detektieren.
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Der
vorgeschlagene Aufbau maximiert den energetischen Wirkungsgrad und
das Motoranlaufdrehmoment pro Wicklungsvolumeneinheit. Die Vorteile
einer konzentrierten Wicklung um die Zähne herum im Vergleich mit
der klassischen verteilten Wicklung sind in Konecny,
U.S.-Patent Nr. 4 774 428 und Permanent
magnet Brushless DC motor with soft metal powder for automotive
application – J.
Cros, P. Viarouge, IEEE Industry applications Society – St. Louis,
Oktober 1998 [1] beschrieben. Das Kupfervolumen ist reduziert und
infolgedessen sind die Jouleschen Verluste minimiert.
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Das
Ausmaß an
Schwingungen und die Rastmomentwelligkeit sind wie bei den anderen
Aufbaukombinationen, die von Konecny,
U.S.-Patent
Nr. 4 774 428 , Huang et al.,
U.S.-Patent
Nr. 5 675 196 , und Katsuma et al.,
U.S.-Patent Nr. 4 719 378 beschrieben
sind, drastisch reduziert. Das kleinste gemeinsame Vielfache (LCM)
der Pole und Nuten des Motors beschreibt, wie viele Spitzen des
Rastmoments über
eine einzige Umdrehung des Motors vorhanden sein werden. In diesem
Fall gibt es 264 Drehmomentimpulse pro Umdrehung und folglich ist
die Amplitude des Rastmoments sehr niedrig (weniger als 3% des Nenndrehmoments).
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Der
vorgeschlagene Motoraufbau minimiert auch die Nettoradialkraft wie
ein weiterer von Huang et al. in
U.S.-Patent
Nr. 5 675 196 beschriebener Aufbau.
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Es
wird auf das britische Patent
GB
2 289 991 verwiesen, das eine Wicklungssequenz für einen Motor
mit zwölf
Nuten und zehn Polen offenbart. Es wird in diesem Patent die Verwendung
eines spezifischen Läuferaufbaus
und einer spezifischen Wicklungssequenz beschrieben, bei der eine
Wicklung pro Nut vorgesehen ist, um unabhängige Magnetflussströme für jede Phase
zu erhalten.
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Aus
der
US 5,006,745 ist
ein bürstenloser Gleichsstrommotor
mit 22 Permanentmagnetpolen und 24 Polzähnen bekannt. Jeder der Polzähne ist umwickelt,
wobei Polgruppen gebildet werden, in denen Pole gleicher Phase aneinander
grenzen. Der Wickelsinn wechselt jeweils von Pol zu Pol.
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Ein
dreiphasiger Gleichstrommotor mit hoher Poldichte ist in der
US 5,164,622 offenbart.
Der offenbarte Motor weist einen Rotorabschnitt mit 6N +/– 2 Permanentmagnetpolen
und einen Statorabschnitt mit 6N elektromagnetischen Polen auf.
Jeder Polzahn des Statorabschnitts ist umwickelt. Die Wicklungen
können
in einer Sternschaltung oder einer Dreieckschaltung gekoppelt sein.
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Die
japanische Patentanmeldung
JP 04-004703 A betrifft ein Elektrofahrrad, und im Besonderen
ein System, das in der Lage ist, die Drehrichtung des Läufers sowie
seine Drehzahl durch die Verwendung eines optischen Sensors zu detektieren, wodurch
die Amplitude des Stroms in dem Motor gesteuert wird.
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Die
elektronische Versorgung umfasst einen Leistungselektronikversorgungs-
und einen Stromsteuerungselektronikschaltkreis. Beide Systeme können im
Inneren des Motorgehäuses
in der Mitte des Ständerjochs
eingesetzt sein. Das Leistungselektroniksystem besteht aus einem
Inverter mit sechs Mosfets oder Mehrfach-Mosfets, die wie sechs
Mosfets arbeiten. Die Aufbaudioden der Mosfets werden dazu verwendet,
die Stromumkehrbarkeit sicherzustellen. Bei jeder Leitungssequenz,
die durch den Läuferstellungsdetektor
definiert wird, werden zwei Transistoren eingeschaltet, um zwei
Motorphasen zu versorgen. In der klassischen Betriebsart wird ein
Modulationssignal an das Gate dieser beiden Transistoren angelegt.
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Dieses
Verfahren vereinfacht die Realisierung der Steuerung, und es kann
nur ein einziger Stromsensor in den Gleichstrombus für die Strommessung
eingesetzt sein.
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Eine
andere Lösung
besteht im Anlegen des Modulationssignals an lediglich einen Transistor
bei jeder Betriebssequenz: dieses Verfahren ist die Ein-Schalter-Modulationstechnik.
Der andere Transistor ist während
der gesamten Dauer dieser Leitungssequenz ”eingeschaltet”. Diese
Betriebsart ist in: E. M. I. tests an a brushless actuator: Comparison of
M. Lajoie-Mazene,
J. P. Berry – European
Power Electronics – Brighton
(U. K.), September 1993[2] für den
Fall von lediglich einem motorisierenden Betrieb im Vergleich mit
der klassischen Betriebsart beschrieben, bei der das Modulationssignal
an das Gate der beiden Transistoren angelegt wird. Es ist gezeigt,
dass die Ein-Schalter-Modulation geringere elektromagnetische Interferenzen
(EMI) liefert und die Kommutationsverluste, die Leitungsverluste
bei Niederspannungsanwendungen, die Stromwelligkeit und die Größe des Eingangsfilterkondensators
reduziert. Das vorgeschlagene Elektroniksystem verwendet die Ein-Schalter-Modulation,
und es kann sowohl für
den Motorbetrieb als auch für
den Generatorbetrieb verwendet werden. Folglich wird die Stromregelung
ohne irgendeinen externen Stromsensor realisiert.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, einen bürstenlosen Gleichstrom-Motor/Generator zum
Antreiben eines Personen befördernden
Fahrzeugs bereitzustellen, bei dem der energetische Wirkungsgrad und
das Motoranlaufdrehmoment pro Wicklungsvolumeneinheit maximiert
sind.
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Zur
Lösung
der Aufgabe ist ein bürstenloser Gleichstrom-Motor/Generator
nach Anspruch 1 bzw. 2 vorgesehen.
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Es
ist ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, einen bürstenlosen,
permanentmagneterregten Hochleistungs-Gleichstrommotor und einen
elektronischen Pulsweitenmodulations-Inverter für die Motorisierung von Elektrofahrzeugen,
die mit elektrischen Batterien versorgt werden, bereitzustellen.
Der Motoraufbau umfasst einen äußeren Läufer, der
an einem Fahrzeugrad befestigt sein kann. Er kann als ein Motor
oder als ein Generator mit einer Rückgewinnung von kinetischer
Energie in den Batterien während
Bremsperioden verwendet werden.
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Ein
anderes Merkmal der Erfindung ist es, einen speziellen Entwurf bereitzustellen,
und der Entwurf ihrer Dreiphasenwicklung maximiert den energetischen
Wirkungsgrad und das Motoranlaufdrehmoment pro Wicklungsvolumeneinheit.
Eine konzentrierte Wicklung ist um die Zähne herum mit nur einer einzigen
Spule pro Nut gewickelt. Diese Lösung
vereinfacht die Realisierung der Wicklung und maximiert den Wicklungskoeffizienten
und den Kupferfüllfaktor.
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Ein
anderes Merkmal der Erfindung ist, dass der Einbau des Läuferstellungssensors
(d. h. Hall-Detektoren) in der Nähe
des Luftspalts durch die Ausgestaltung der Wicklung vereinfacht
wird. Die Hall-Detektoren sind an einer Seite von mehreren Zähnen, die
keine Wicklung aufweisen, befestigt, und sie verwenden den Streufluss
der Permanentmagneten, um die Läuferstellung
zu detektieren. Das Ausmaß an
Schwingungen, die Rastmomentwelligkeit und die Radialkraft werden
stark reduziert.
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Ein
anderes Merkmal der Erfindung ist es, ein spezifisches Invertersteuerungssystem
bereitzustellen, das die Kommutationsverluste, die Diodenleitungsverluste
in Niederspannungsanwendungen, die Stromwelligkeit, die Größe des Eingangsfilterkondensators
und die elektromagnetische Interferenz reduziert. Es wird eine spezifische
Ein-Schalter-Modulationstechnik verwendet: das Modulationssignal
wird an nur einen einzigen Transistor bei jeder Betriebssequenz,
die durch den Läuferstellungsdetektor
definiert wird, angelegt. Der andere Transistor ist während der
gesamten Dauer dieser Leitungssequenz eingeschaltet. Das Ein-Schalter-Modulationsverfahren
maximiert den Wirkungsgrad der elektronischen Versorgung, und die
Stromregelung ist ohne irgendeinen externen Stromsensor realisiert.
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Gemäß den obigen
Merkmalen stellt die vorliegende Erfindung gemäß einem weiten Aspekt einen
bürstenlosen
Gleichstrommotor für
die Motorisierung von Elektrofahrzeugen bereit. Der Motor umfasst
einen zylindrischen Läufer
mit 22 Polen, die mit Segmenten aus permanentmagnetischem Material aufgebaut
sind, das abwechselnd Nord und Süd
magnetisiert ist. Ein Ständerkern
aus ferromagnetischem Material ist in Richtung nach innen beabstandet
von dem Läufer
aus angeordnet und bildet einen magnetischen Zwischenraum dazwischen.
Der Standerkern weist vierundzwanzig Nuten auf und besitzt Zähne zwischen
den Nuten. Eine Dreiphasenwicklung mit Spulen aus isoliertem Draht
ist um die Zähne herumgewickelt.
Es ist eine Spule pro Nut mit einem vorbestimmten Verbindungsmuster
A', C, C, B', B', A, A, C', C', B, B und A' vorgesehen, was
zu einer reduzierten Drehmomentwelligkeit ohne irgendeine Nut- oder
Magnetschrägstellung
resultiert.
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Gemäß einem
noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein bürstenloser
Gleichstrommotor vorgesehen, wie er oben beschrieben ist, aber bei
dem ferner zwei Spulen pro Nut mit einem vorbestimmten Verbindungsmuster
C', C, C', C, B, B', B, B', A', A, A', A, C, C', C, C', B', B, B', B, A, A', A, A' vorgesehen sind.
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Gemäß noch einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein elektronisches
Pulsweitenmodulationstreiber- und Steuerungssystem für einen
bürstenlosen
Gleichstrommotor vorgesehen. Es umfasst einen Leistungselektronik-Dreiphasen-Inverter
mit sechs Leistungs-Mosfets. Ein Stromsteuerungssystem ist an den
Inverter gekoppelt, um Rechteck-Phasenstromimpulse mit 120 elektrischen
Graden zu erzeugen. Ein elektronisches Steuerungssystem ist für die Betriebsart
sowohl als Motor als auch als Generator des Motors vorgesehen und
verwendet eine Ein-Schalter-Modulationstechnik.
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Gemäß noch einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein bürstenloser
Gleichstrommotor zum Bremsen eines Rades von Einrichtungen vorgesehen,
auf denen Personen durch Eigenmotorisierung oder Elektromotormotorisierung
verschoben werden. Der Motor umfasst einen zylindrischen Läufer mit
zweiundzwanzig Polen, die mit Segmenten aus permanentmagnetischem
Material aufgebaut sind, das abwechselnd Nord und Süd magnetisiert ist,
einen Ständerkern
aus ferromagnetischem Material, der in Richtung nach innen von dem
Läufer
aus beabstandet angeordnet ist und einen magnetischen Zwischenraum
dazwischen besitzt, wobei der Statorkern vierundzwanzig Nuten aufweist
und Zähne
zwischen den Nuten besitzt, eine Dreiphasenwicklung mit Spulen aus isoliertem
Draht, der um die Zähne herumgewickelt
ist. Der Läufer
ist mit einer Nabe des Rades verbunden. Es ist ein Steuerungsschaltkreismittel
vorgesehen, um das Drehmoment des Motors und daher seine hemmende
Kraft zu steuern.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nun anhand der begleitenden Zeichnungen
beschrieben, in denen:
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1 ein
schematisches Schaubild eines Aufbaus eines bürstenlosen Gleichstrommotors
ist, der einen Motor, ein Leistungselektroniksystem und ein Stromsteuerungssystem
umfasst,
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2 eine
schematische Ansicht der Anordnung aus dem Zweiundzwanzig-Pol-Läufer und
dem Vierundzwanzig-Nut-Ständer gemäß den Prinzipien der
vorliegenden Erfindung ist,
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3 ein
Schaubild einer ersten Spulenwicklungsanordnung mit einer Spule
pro Nut ist,
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4 eine
zweite Spulenwicklungsanordnung mit zwei Spulen pro Nut ist,
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5 die
Position der drei Hall-Sensoren in dem Motor angibt, die dazu verwendet
werden, die Läuferstellung
zu detektieren,
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6 ein
vereinfachtes Schaubild des Elektroniksystems ist (Leistungselektroniksystem
(Inverter) und Steuerungssystem),
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7 die
Leitungssequenzreihenfolge der Leistungs-Mosfets zeigt,
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8 die
vereinfachten Wellenformen des Phasenstromes in Phase mit der Rück-EMK zeigt,
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9 das
Schaubild der Mosfet-Steuerungssignale während einer Periode der Motorbetriebsart
zeigt,
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10 den Stromfluss in dem Fall der Sequenz
(T1–T2)
in der Motorbetriebsart angibt,
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11 ein
Schaubild der Mosfet-Steuerungssignale während einer Periode der Generatorbetriebsart
ist,
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12 den Stromfluss in dem Fall der Sequenz
(T1–T2)
in der Generatorbetriebsart angibt,
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13 eine
schematische Ansicht der Stromsteuerung zeigt,
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14 ein
schematisches Schaubild der Umwandlung der Signale der Läuferstellungssensoren
und der Erzeugung der Mosfet-Gate-Steuerungssignale
in der Motorbetriebsart ist,
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15 ein
schematisches Schaubild des elektronischen Systems für den Generator,
die Mosfet-Gate-Steuerungssignale und die Messung des Phasenstroms
in der Betriebsart als Motor und Generator mit der Ein-Schalter-Modulationstechnik
ist, und
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16 eine
vereinfachte Teilseitenansicht ist, die den Motor der vorliegenden
Erfindung an ein Rad eines Fahrrades über seinen Läufer gekoppelt zeigt.
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Bei
Elektrofahrzeuganwendungen ist es notwendig, ein hohes Anlaufdrehmoment
zu erzeugen und eine variable Drehzahl in den Betriebsarten sowohl
als Motor als auch als Generator sicherzustellen. Die Verwendung
eines bürstenlosen
Gleichstrommotors ist für
diese Art von Anwendungen besonders gut angepaßt. Um die Kosten des elektronischen
Systems und die Anzahl von Sensoren zu verringern, ist es besser,
die Motorwicklungsphasen mit einem Strom mit rechteckiger Wellenform
zu versorgen. Das Motordrehmoment wird durch eine einfache Stromregelung
gesteuert, und der Phasenstrom wird mit einer Pulsweitenmodulationstechnik
(PWM) gepulst. Das schematische Schaubild dieser Art eines bürstenlosen
Gleichstrommotors ist in 1 dargestellt. Es umfasst einen
permanentmagneterregten Motor 10, eine Leistungselektronikversorgung 11,
einen Läuferstellungsdetektor 12,
ein Strommesssystem 13 und ein Stromregelungssystem, das
aus einem Stromsteuerungsschaltkreis 14, der von dem Strommessschaltkreis 13 gespeist
wird, und einem Drehmomentreferenz- oder Stromreferenzschaltkreis 16 besteht.
Der Stromsteuerungsschaltkreis 14 ist mit dem Leistungselektronik-Versorgungsschaltkreis 11 verbunden,
um das Drehmoment des Motors 10 zu steuern. Das System kann
für den
Motor- oder Generatorbetrieb mit Energierückgewinnung an der Batterie 15 während Bremsperioden
verwendet werden.
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Wie
es in 2 gezeigt ist, ist die vorgeschlagene Lösung bei
der vorliegenden Erfindung, einen Aufbau eines Motors 10 mit
zweiundzwanzig Polen und vierundzwanzig Nuten 18 mit einem
zylindrischen äußeren Läufer 19 zu
verwenden. Permanentmagnete 20 sind an der Läuferinnenfläche 21 befestigt
und abwechselnd Nord und Süd
magnetisiert. Die hohe Zahl von Polen verringert das Eisenvolumen
und liefert annehmbare Eisenverluste, wenn die Drehzahl geringer
als 1000 U/min ist. Ein Ständerkern
(8) aus ferromagnetischem Material ist in Richtung nach
innen von dem Läufer
(19) und Magneten (20) aus beabstandet angeordnet
und besitzt dazwischen einen magnetischen Zwischenraum (9).
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Wie
es in den
3 und
4 gezeigt
ist, ist eine konzentrierte Wicklung
22 um die Zähne
23 herumgewickelt.
Die Vorteile einer konzentrierten Wicklung um die Zähne herum
im Vergleich mit einer klassischen verteilten Wicklung sind in Konecny,
U.S.-Patent Nr. 4 774 428 und
dem Literaturartikel E. M. I. tests an a brushless actuator: Comparison
of different Operation modes – J.
Cros, S. Astier, J. M. Vinassa, M. Lajoie-Mazenc, J. P. Berry – European
Power Electronics – Brighton
(UK), September 1993[1] beschrieben. Das Kupfervolumen ist reduziert,
und infolgedessen sind die Jouleschen Verluste minimiert. Der energetische
Wirkungsgrad und das Motoranlaufdrehmoment pro Wicklungsvolumeneinheit sind
maximiert.
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Eine
erste Wicklungsausgestaltung mit nur einer Spule (7) pro
Nut, wie sie in 3 gezeigt ist, maximiert den
Wicklungskoeffizienten (0,958) und den Nutfüllfaktor und vereinfacht die
Realisierung der Wicklung. Eine alterna tive Wicklungsausgestaltung mit
zwei Spulen pro Nut ist in 4 dargestellt
und kann für
den vorgeschlagenen Motoraufbau verwendet werden (Wicklungskoeffizient:
0,949). Nach 5 wird der Einbau des Läuferstellungssensors, d.
h. Hall-Detektoren 24, in der Nähe des Luftspaltes 25 durch
die Wicklungsausgestaltung von 3, die nur
eine einzige Spule pro Nut verwendet, vereinfacht. Die Hall-Detektoren 24 sind
an der Seite von mehreren Zähnen 23,
die keine Wicklung aufweisen, wie beispielsweise die Zähne 23' in 3,
befestigt, und sie verwenden den Streufluss der Permanentmagnete,
um die Läuferstellung
zu detektieren. Hall-Sensoren oder -Detektoren 24 sind
derart angeordnet, dass die Wellenformen des Phasenstromes und der
elektromagnetischen Kraft der Phasen (Rück-EMK) wie in den 7 und 8 eingerichtet sind.
Mit dieser Ausgestaltung wird dann der Maximalwert des Drehmoment/Strom-Verhältnisses
erhalten.
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Die
Rastmomentwelligkeit wird ohne irgendeine Nutschrägstellung,
wie bei den anderen Aufbaukombinationen, die von Konecny,
U.S.-Patent Nr. 4 774 428 ,
Huang et al.,
U.S.-Patent Nr.
5 675 196 und Katsuma et al.,
U.S.-Patent Nr. 4 719 378 beschrieben
werden, stark verringert. Das kleinste gemeinsame Vielfache (LCM)
der Pole und Nuten des Motors beschreibt, wie viele Spitzen des
Rastmoments über
eine einzige Umdrehung des Motors vorhanden sein werden. In diesem
Fall gibt es 264 Drehmomentimpulse pro Umdrehung, und folglich ist
die Rastmomentamplitude sehr niedrig (kleiner als 3% des Nenndrehmoments).
Der vorgeschlagene Motoraufbau minimiert auch die Nettoradialkraft,
wie ein anderer Aufbau, der von Huang et al. in
U.S.-Patent Nr. 5 675 196 beschrieben
wird.
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In 6 ist
eine elektronische Versorgung gezeigt, die ein Leistungselektroniksystem
und ein Niederleistungs-Steuerungselektroniksystem umfasst. Beide
Systeme können
in den Hohlraum 26 in dem Motorgehäuse in der Mitte des Ständerjochs 27 eingesetzt
sein. Das Leistungselektroniksystem ist ein PWM-(Pulsweitenmodulations-)Sechs-Schalter-Inverter 28.
Sechs Mosfets 28 vom Typ N (T1, T2, T3, T'1, T'2, T'3) werden verwendet,
und die Dioden des Aufbaus der Mosfets 29 werden dazu verwendet, die
Stromumkehrbarkeit sicherzustellen. Das elektronische System umfasst
einen Gegentakttreiber 30 für jeden Mosfet, drei Bootstrap-Versorgungen 31,
die die Treiberstufen der drei Transistoren T'1, T'2,
T'3 der oberen Seite
der Inverter 28 speisen, und es werden drei Pegelverschiebungssteuersignale
an die Treiberstufen der Transistoren T'1, T'2,
T'3 angelegt.
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Ein
Stromregelungsschaltkreis 32 erzeugt ein PWM-Signal bei
jedem Transistorsteuerungssignal. Die Spannungen der Leistungs-Mosfets 29' T1, T2, T3
an der unteren Seite 28' des
Inverters 28 werden dazu verwendet, die Motorströme zu messen. Die
Läuferstellungssensoren 24 definieren
die Leitungssequenzreihenfolge und werden auch dazu verwendet, die
Spannung des leitenden Leistungs-Mosfets 29 auszuwählen, so
dass diese von einem Multiplexer 33 mit 3 Eingängen 33' und 1 Ausgang 33'' erfasst werden kann. Der Multiplexer 33 wird
dazu verwendet, ein Signal zu erzeugen, das dem Motorstrom äquivalent
ist und in dem Stromregelkreis verwendet werden kann. Der Bediener
kann die Betriebsart des Systems (Motor- oder Generatorbetriebsart)
und den Stromreferenzpegel auswählen,
um das Drehmoment der Maschine aufzuzwingen.
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7 stellt
das Chronogramm 37 der Leitungssequenzen der Leistungs-Mosfets 29 dar.
Zu jedem Zeitpunkt gibt es nur zwei eingeschaltete Mos fets. Es gibt
sechs Betriebssequenzen in einer elektrischen Periode. Während jeder
Sequenz werden zwei Phasen der Maschine versorgt. Es gibt sechs Stromkommutationen,
wenn der Läufer
mit einem Winkel von 32,7 Grad kommutiert. Der Kommutationsprozess
wird von den Läuferstellungsdetektoren 24 (d.
h. Hall-Sensoren) gesteuert.
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8 zeigt
die Rechteckwellenform 38 des Phasenstroms, die in Phase
mit der Wellenform 39 der elektromotorischen Rückkraft
(Rück-EMK)
der gleichen Phase ist.
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In
den 9 bis 12 ist eine
Ein-Schalter-Modulationstechnik gezeigt, die für den Betrieb sowohl als Motor
als auch als Generator verwendet wird. Das Modulationssignal wird
nur in dem Fall einer Motorbetriebsart (siehe 9 und 10) einmal an das Gate der Transistoren
der oberen Seite des Inverters (T'1, T'2,
T'3) angelegt. Die
Transistoren T1, T2, T3 bleiben während der gesamten Dauer der
Leitungssequenz ”eingeschaltet”; im Vergleich
mit der klassischen Modulationstechnik, bei der das Modulationssignal
an Schalter von sowohl unteren als auch oberen Seiten angelegt wird.
Diese spezifische Ein-Schalter-Modulationstechnik liefert geringere Kommutationsverluste
und geringere Leitungsverluste in dem Fall von Niederspannungsanwendungen (der
Spannungsabfall eines Leistungs-Mosfet
ist niedriger als der Spannungsabfall einer Diode) siehe den hierin
genannten E. M. I. Testartikel. Der Wirkungsgrad des Inverters 28 ist
höher.
Diese Ein-Schalter-Modulationstechnik vereinfacht die Messung der
Phasenströme,
und sie beseitigt die Notwendigkeit eines externen Stromsensors.
Die Spannungen der Mosfets (T1, T2, T3) der unteren Seite des Inverters 28' können dazu
verwendet werden, die Motorphasenströme während aller Sequenzen zu messen.
In dem Fall der Sequenz T'1–T2 wird die
Spannung des Transistors T2 dazu verwendet, den Motorphasenstrom
zu messen.
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9 zeigt
die Steuerungssignale, die an die Transistor-Gates im Fall der Ein-Schalter-Modulationstechnik
angelegt werden.
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10 zeigt den Stromfluss während einer Sequenz
in der Motorbetriebsart. Wenn die Transistoren T'1 und T2 ”eingeschaltet” sind (10a) versorgt die Batterie zwei Phasen 40 und 41 des
Motors. Wenn der Transistor T'1 ”ausgeschaltet” ist, ist
die Diode des Aufbaus des Mosfets T1 ”eingeschaltet”, und es
tritt ein Freilaufbetrieb ein (10b).
Die Stromwelligkeit ist um die Hälfte
im Vergleich mit der klassischen Zwei-Schalter-Modulationstechnik
reduziert. Es gibt keine Stromumkehr im Gleichstrom-Bus, und so
kann die Größe des Filterkondensators
(nicht gezeigt, aber in der Technik allgemein bekannt) reduziert
sein (geringerer RMS-Strom
an dem Gleichstrom-Bus). Folglich sind die elektromagnetischen Interferenzen
auch niedriger als im Fall der klassischen Modulationsart, siehe
den hierin genannten E. M. I.-Artikel.
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Die 11 und 12 zeigen den Fall der Generatorbetriebsart.
Die Transistoren an der oberen Seite des Inverters 29 T'1, T'2, T'3 sind während der
Generatorbetriebsart alle ”eingeschaltet”. Nur die
Dioden des Aufbaus dieser Transistoren werden bei dieser Betriebsart
verwendet. Ein Modulationssignal wird an das Gate 42 der
Transistoren T1, T2, T3 (siehe 6) an der
unteren Seite 28' des
Inverters 28 angelegt. Es gibt einige Intervalle, bei denen
permanente Leitung auftritt. Sie werden dazu verwendet, die Mosfet-Spannung
für die
Stromsteuerung zu messen (siehe 12). 12 zeigt den Stromfluss während einer
Betriebssequenz. Der Maschinen- oder
Motorstrom nimmt zu, wenn die Transistoren 30 T1, T2 ”eingeschaltet” sind (12b). Wenn der Transistor T1 ”ausgeschaltet” ist, ist
die Diode des Aufbaus des Transistors T'2 ”eingeschaltet”, und die Maschine
versorgt die Batterie 43 (12a).
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Die 13 und 14 zeigen
Blockdiagrammansichten einer klassischen Stromregelung mit einem
PI-Regler 44, der im Fall eines Ein-Schalter-Modulationsmodus
angewandt werden kann. Das vorgeschlagene elektronische System für sowohl
die Motorbetriebsart als auch die Generatorbetriebsart mit der Ein-Schalter-Modulationstechnik
ist in 15 dargestellt. Dieses System
umfasst zwei Signalmultiplexer und mehrere AND/OR-Gatter, die dazu
verwendet werden, die an die Transistortreiberstufen angelegten
Signale und die Signale der Messungen des Maschinenstromes zu steuern.
Das System ist auch durch einen integrierten Schaltkreis oder durch
einen programmierbaren Schaltkreis realisierbar, wie es dem Fachmann
deutlich werden wird.
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Es
ist bei der vorliegenden Erfindung gewollt, dass jegliche offensichtliche
Abänderungen
abgedeckt sind, vorausgesetzt, dass eine derartige Abänderung
in den Schutzumfang der beigefügten
Ansprüche
fällt.
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In 16 ist
ein bürstenloser
Gleichstrommotor 50 gezeigt, der wie oben beschrieben aufgebaut
ist, und bei dem der Läufer 51 mit
einer Nabe 52 eines Rades 53, hierin ein Fahrradrad,
verbunden ist. Alternativ kann das Motorabdeckgehäuse zur
Verringerung der Produktionskosten Verbindungsstellen aufweisen,
mit denen die Speichen des Rades verbunden sind. Eine Batterie,
nicht gezeigt, ist an dem Fahrrad geeignet befestigt, und der Steuerschaltung, die
in dem Hohlraum im Inneren des Ständers vorgesehen oder befestigt
ist, wird Energie zugeführt.
Ein Kabel 54 ist an einem Steuergerät befestigt, das von dem Benutzer
des Fahrrades betätigt
wird, um die Drehzahl des Motors zu steuern. Dieses Steuergerät könnte in
der Form eines drehbaren Handstücks
und Griffes, eines Handhebels oder irgendeines anderen geeigneten
Mittels vorliegen. Wenn der Motor als eine Motorisierungsmaschine
verwendet wird, treibt er das Rad 53 an. Der Motor kann
auch als eine Bremse verwendet werden, wenn er in die Generatorbetriebsart
gebracht wird. Wie es zuvor erwähnt wurde,
kann dieser Motor an allen Arten von Elektrofahrzeugen befestigt
sein, wie beispielsweise Rollstühle,
Roller, Dreiradwägen,
Golfwägen,
kleine Nutzfahrzeuge usw.