DE2527041A1

DE2527041A1 - Buerstenloser gleichstrommotor

Info

Publication number: DE2527041A1
Application number: DE19752527041
Authority: DE
Inventors: Alexander Benet Gosling; Barrie Ewart Mealing
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1975-06-18
Filing date: 1975-06-18
Publication date: 1976-12-30
Also published as: DK270476A; ES448935A1; US4065706A; CA1059211A; SE423011B; FR2316778A1; DE2527041C3; FR2316778B1; IT1062240B; BR7603907A; DE2527041B2; JPS521410A; SE7606937L

Description

Bürstenloser Gleichstrommotor

Die Erfindung betrifft einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit selbständigem Anlauf, insbesondere für eine hermetisch gekapselte Kältemaschine, mit einem einen Dauermagneten aufweisenden Läufer, mit einer Ständerwicklung, deren Durchflutung durch ein mit dieser in Reihe an der Gleichstromquelle liegendes steuerbares elektronisches Stellglied in Abhängigkeit von der Drehwinkellage des Läufers steuerbar ist, und mit einem zur Erfassung der Drehwinkellage dem Läuferfeld ausgesetzten magnetfeldabhängigen Bauelement, dessen feldabhängige Pararaeteränderung in Steuersignale für das Stellglied umsetzbar ist.

Es ist ein Gleichstrommotor dieser Art bekannt, bei dem als magnetfeldabhängiges Bauelement ein Hallgenerator benutzt wird, um im Gegensatz zu einer Fühlerspule, in der bei Stillstand des Läufers keine Spannung induziert würde, den Anlauf von der Drehzahl unabhängig zu machen. Ein Hallgenerator bedeutet wegen seiner zahlreichen Anschlüsse jedoch einen zusätzlichen Verdrahtungsaufwand. Er erfordert einen ständigen Stromfluß, den Hallstrom, der den Wirkungsgrad des Motors verschlechtert. Ferner ist ein Hallgenerator temperaturabhängig, was zu einer Verschiebung des Schaltpunktes des Stellgliedes, eines als Schalter betrieuaEn Leistungstransistors, und damit wiederum zur Verringerung des Motor-Wirkungsgrades führen kann. Der Wirkungsgrad des Gleichstrommotors und der Aufwand spielen vornehmlich bei Anwendung des Motors für

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Kältemaschinen, die bezogen auf ihre Lebensdauer sehr häufig in Betrieb sind und in großen Stückzahlen hergestellt werden, insbesondere bei mittels Akkumulator betriebenen Kältemaschinen für den Freizeitgebrauch, z. B. in Wohnwagen, Booten, Ferienhäusern usw., aber auch bei batteriebetriebenen Haushaltsgeräten, wie Tonbandgeräten, eine entscheidende Rolle.

Es sind ferner bürstenlose Gleichstrommotoren mit mehr als zwei Ständerwicklungen bekannt, bei denen das magnetische Wechselfeld der Schwingspule eines ständig schwingenden LC-Oszillators dadurch abwechselnd in Steuerspulen, die jeweils im Steuerkreis einer Ständerwicklung liegen und auf dem Umfang des Ständers verteilt angeordnet sind, eine Steuer spannung induziert, daß ein mit dem Läufer rotierendes Metallsegment das Magnetfeld der Schwingspule nacheinander mit allen Steuerspulen koppelt oder von allen, bis auf eine, abschirmt. Hierbei ist ein noch höherer Aufwand bezüglich der Verdrahtung der Steuerspulen und deren Unterbringung am Ständer sowie der Ausbildung der Kopplungsbzw. Abschirmungseinrichtung erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen bürstenlosen Gleichstrommotor der eingangs genannten Art anzugeben, der bei einfachem Aufbau einen hohen Wirkungsgrad aufweist.

Nach der Erfindung ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das magnetfeldabhängige Bauelement eine Fühlerspule mit einem durch das Läuferfeld sättigbaren Kern ist.

Diese Fühlerspule spricht sehr empfindlich auf die Größe des Läuferfeldes mit einer Änderung ihrer Induktivität und Güte an, und zwar unabhängig von der Drehzahl des Läufers. Die Änderung läßt sich auf einfache Weise zur Ableitung der Steuersignale auswerten, besonders vorteilhaft in einem LC-Oszillator, bei dem die Fühlerspule ein die Frequenz und den Schwingungseinsatz des Oszillators bestimmendes Bauelement ist und aus dem Einsatz bzw. der Unterbrechung der Schwingung die Steuersignale abgeleitet werden. Hierbei können durch ein ständiges

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Schwingen des Oszillators bedingte zusätzliche Verluste vermieden werden. Die Fühlerspule ist verhältnismäßig unempfindlich gegen Temperaturänderungen. Eine spezielle Kopplungs- oder Abschirmungseinrichtung und Steuerspulen entfallen, selbst bei mehreren Ständerwicklungen, deren Steuerkreise nacheinander durch Impulse angesteuert werden können, die aus der Parameteränderung der Fühlerspule durch eine entsprechend ausgebildete Steuerschaltung ableitbar sind. Um die Fühlerspule mit der Steuerschaltung zu verbinden, braucht nur ein Anschluß der Fühlerspule aus dem Motor herausgeführt zu werden. Der andere kann intern mit dem für die Gleichstromquelle vorgesehenen Motoranschluß verbunden sein.

Vorzugsweise besteht der Kern der Fühlerspule zumindest teilweise aus Ferrit. Ferrit läßt sich durch eine verhältnismäßig geringe Durchflutung in die Sättigung treiben, so daß man eine nahezu sprungartige Parameteränderung der Fühlerspule bei einer Änderung ihrer Durchflutung erhält. Folglich kann selbst ein schwaches Feld des Läufermagneten diese Änderung bewirken.

Günstig ist weiter, wenn der Kern der Fühlerspule vormagnetisiert ist» Auf diese Weise kommt man mit einer noch geringeren zusätzlichen Durchflutung aus, um den Kern in die Sättigung zu treiben. Ferner läßt sich hierbei sicherstellen, daß der Kern immer nur durch eine zusätzliche Durchflutung der einen, jedoch nicht der anderen Polarität in die Sättigung getrieben wird, so daß sich eine eindeutige Drehwinkelmeldung ergibt.

Zur Ausbildung der Vormagnetisierung kann der Kern der Fühlerspule einen Dauermagneten aufweisen. Dies erspart Energie zur Aufrechterhaltung eines Vormagnetisierungsstroms.

Vorzugsweise ist dafür gesorgt, daß der Ständer außer einer ersten nur noch eine zweite, in Reihe mit einem zweiten Stellglied an der Gleichstromquelle liegende Wicklung aufweist und das zweite Stellglied ebenfalls durch Steuersignale steuerbar ist, die aus den Parameteränderungen der Fühlerspule abgeleitet

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sind. Diese Anzahl der Ständerwicklungen stellt einen besonders günstigen Kompromiß bezüglich des erzielbaren Wirkungsgrades und des Aufwands dar. Auf Seiten des Motors kommt man mit einer einzigen zusätzlichen Wicklung, die für ein gleichmäßigeres Drehmoment und demzufolge einen höheren Wirkungsgrad sorgt, und einem einzigen zusätzlichen Motoranschluß zur Ansteuerung der zweiten Wicklung aus, wenn eine an der Gleichstromquelle angeschlossene Verbindung der Ständerwicklungen mit einem Anschluß der Fühlerspule verbunden ist. Auf Seiten der Steuerschaltung genügt im einfachsten Falle eine Umkehrstufe und das zweite Stellglied zusätzlich, um die zweite Ständerwicklung im Gegentakt zur ersten anzusteuern. Der Motor gibt ein hohes Anfahrmoment bei niedrigem Anfahr strom ab. Entsprechend können die Stellglieder auf einen niedrigen Anfahrstrom ausgelegt und der Läufermagnet dünner ausgebildet sein, ohne daß eine Entmagnetisierung erfolgt. Dies trägt ebenfalls zur Steigerung des Wirkungsgrades bei. Das gleiche gilt für eine bevorzugt lameliierte Ausführung von Ständer und/oder Läufer, die zur Verringerung von WirbelStromverlusten beiträgt. Der Gleichstrommotor ist zum Antrieb des Kolbenkompressors einer Kältemaschine besonders geeignet, weil sein pulsierendes Moment dem Drehmomentbedarf des Kompressors genau entspricht.

Vorzugsweise sind die Stellglieder als Schalter betriebene Leistungstransistoren. Im Gegensatz zu beispielsweise Thyristoren, die prinzipiell ebenfalls verwendet werden können, ist der Steuerungsaufwand für Transistoren wegen Entfallen der Löscheinrichtungen geringer. Ein als Schalter betriebener Transistor vermag höhere Leistungen zu übertragen, als es seiner zulässigen Verlustleistung entspricht. Die Leistungstransistoren können dementsprechend klein bemessen sein.

Günstig ist es ferner, wenn zu jedem Leistungstransistor eine Diode antiparallelgeschaltet ist. Auf diese Weise ist eine den Wirkungsgrad steigernde Rückführung der in einer Ständerwicklung nach Sperrung des zugehörigen Leistungstransistors gespeicherten Energie über die andere Wicklung und die betreffende Diode in die Gleichstromquelle möglich.

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Weiter ist es vorteilhaft, wenn die Drähte der Ständerwicklungen eng nebeneinander gewickelt und einander gleich sind. Dies ergibt einen höheren Kopplungsgrad zwischen den Wicklungen und damit eine bessere Rückführung der in der jeweils abgeschalteten Wicklung gespeicherten Energie über die andere Wicklung in die Gleichstromquelle, was wiederum zur Verbesserung des Wirkungsgrades beiträgt.

Vorzugsweise ist dafür gesorgt, daß die statische Magnetfeldverteilung zwischen Läufer und Ständer in Umfangsrichtung derart gewählt ist, daß die Polachse des Läufers im Stillstand einen spitzen Winkel mit der Polachse des Ständers bildet und daß die Stillstandslage des Läufers in bezug auf die eines vom Motor angetriebenen, abwechselnd Arbeits- und Leerhübe ausführenden Arbeitselements so gewählt ist, daß der Motor unbelastet anläuft, z, B. während des Saughubes des Kompressors einer Kältemaschine. Hierbei kommt man mit einem besonders geringen Anfahrstrom aus.

Zur Erzielung der den selbständigen Anlauf gewährleistenden Magnetfeldverteilung kann der Luftspalt zwischen Ständer und Läufer in Umfangsrichtung unterschiedlich ausgebildet und/oder ein Dauermagnet in der Nähe des Läuferumfangs und/oder im Läufer eine unsymmetrische Dauermagnetpolverteilung vorgesehen sein.

Die Zeichnungen stellen bevorzugte Ausführungsbeispiele schematisch dar. Es zeigen:

Fig. 1 einen bürstenlosen Gleichstrommtor mit zugehöriger Steuerschaltung,

Fig. 2 die BH-Kennlinie der Fühlerspule,

Fig. 3 und 4 verschiedene Ausführungsformen des Kerns der Fühlerspule,

Fig. 5 eine Ausführungsform des Motors mit bifilar gewickelten Ständerwicklungen und die

Fig. 6 und 7 verschiedene Ausführungsformen von Ständer und Läufer zur Erzielung eines stabilen Haltepunkts des Läufers bei abgeschalteter Ständerwicklung.

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Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel des bürstenlosen Gleichstrommotors nach Fig. 1 ist der Ständer 1 mit zwei Wicklungen 2 und 3 versehen. Jede Wicklung 2, 3 liegt in Reihe mit einem steuerbaren elektrischen Stellglied 4, 5 in Form eines als Schalter betriebenen Leistungstransistors an einer Gleichstromquelle 6. Zu jedem Stellglied 4, 5 ist eine Diode 7, 8 antiparallelgeschaltet. Die Drehwinkellage des als Dauermagnet ausgebildeten Läufers 9 wird von einer in der Nähe des Läufers 9 angeordneten Fühlerspule 10 mit vormagnetisiertem, sättigbarem Kern erfaßt. Die Fühlerspule 10 ist einerseits mit demselben Pol der Gleichstromquelle 6, mit dem die Wicklungen 2 und 3 unmittelbar verbunden sind, und andererseits mit einer Steuereinheit 11 verbunden, so daß man mit nur vier Zuleitungen 12, 13, 14 und zum Motor auskommt.

Durch besondere, nachstehend beschriebene Maßnahmen ist dafür gesorgt, daß der Läufer 9 bei stromlosen Wicklungen 2, 3 die dargestellte Ruhelage einnimmt, in der seine Polachse einen spitzen Winkel mit der Polachse des Ständers 1 bildet. Das Feld des Läufers 9 bildet in dieser Lage des Läufers 9 eine solche Induktion im Kern der Fühler spule 10 aus, daß die Steuereinheit dem Stellglied 4 ein Steuersignal zuführt. Daraufhin wird das Stellglied 4 durchgesteuert, und es fließt ein Strom in der durch den Pfeil in der Leitung 12 angedeuteten Richtung. Der demzufolge ausgebildete Südpol S der Wicklung 2 stößt den Südpol S des Läufers 9 ab, so daß sich der Läufer 9 in der durch den gekrümmten Teil engedeuteten Richtung zu drehen beginnt. Nach einer halben Umdrehung des Läufers 9 hat sich die Induktion im Kern der Fühlerspule 10 in der Weise geändert, daß das Steuersignal am Steuereingang des Stellgliedes 4 verschwindet und stattdessen dem Steuereingang des Stellgliedes 5 zugeführt wird. Dies hat zur Folge, daß der Strom durch das Stellglied 4 unterbrochen, die Wicklung 2 stromlos wird und ein Strom üoer die Wicklung 3 fließt. Der untere Polschuh des Ständers wird daher so magnetisiert, daß sein Südpol dem Läufersüdpol S zugekehrt ist und dem Läufer 9 einen weiteren Impuls im gleichen Drehsinn erteilt. Jedesmal, wenn ein Stellglied 4 bzw. 5 gesperrt wird, kann sich

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die in Reihe liegende Wicklung 2 bzw. 3 über die andere Wicklung 3 bzw. 2 und die betreffende Diode 8 bzw. 7 in die Gleichstromquelle 6 transformatorisch entladen. Auf diese Weise ergibt sich ein höherer Wirkungsgrad.

Bei jeder Umdrehung des Läufers 9 wiederholen sich diese Vorgänge.

Nach Fig. 2 ist der Kern der Fühlerspule 10 bis zum Punkt A auf der BH-Kennlinie vormagnetisiert und das Kernmaterial so gewählt, daß die BH-Kennlinie praktisch rechteckförmig ist. Es genügt daher eine verhältnismäßig geringe zusätzliche Durchflutung, um den Kern in die Sättigung zu treiben, in der die Induktivität der Spule praktisch Null ist. Diese sprungartige Induktivitätsänderung in der einen oder anderen Richtung wird in der Steuereinheit 11 zur Ableitung der Steuersignale für die Stellglieder 4 und 5 ausgewertet. Die Vormagnetisierung sorgt dafür, daß der Kern mit jeder Läuferumdrehung nur einmal bis zum Punkt C in die (positive) Sättigung getrieben und nur einmal bis zum Punkt D entsättigt wird. Eine hohe Induktivität der Fühlerspule 10 hat eine Durchsteuerung des einen bei gleichzeitiger Sperrung des anderen und eine niedrige Induktivität der Fühlerspule 10 eine Durchsteuerung des anderen bei gleichzeitiger Sperrung des einen der beiden Steuerglieder 4, 5 zur Folge.

Der Kern der Fühlerspule 10 kann nach den Fig. 3 und 4 einen Teil 16 aus Ferrit und zur Vormagnetisierung einen Dauermagneten 17 aufweisen. Die Fühlerspule 10 ist in Fig_o 1 nur schematisch dargestellt. In der Praxis ist sie so relativ zum Läufer 9 angeordnet, daß sie in der Lage des Läufers, in der die Polachsen von Läufer und Ständer zusammenfallen, bis zum Punkt C oder D magnetisiert ist. Dabei kann die Achse der Fühlerspule 10 auf den Läufer gerichtet sein, z. B. radial oder auf dessen Stirnseite .

Die Ständerwicklungen 2, 3 können nach Fig. 5 bifilar , d. h. eng nebeneinander gewickelt und einander gleich sein. Auf diese

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Weise ergibt sich eine engere magnetische Kopplung zwischen den Wicklungen 2, 3 und damit eine bessere Rückführung der in den Wicklungen nach ihrer Abschaltung gespeicherten magnetischen Energie, was wiederum zu einer Steigerung des Motorwirkungsgrades führt.

Die Erzielung eines stabilen Haltepunkts bei stromlosen Wicklungen 2, 3» d. h. bei abgeschaltetem Motor, kann der Ständer nach Fig. 6 einen Dauermagneten 18 aufweisen, der so angeordnet ist, daß die Polachse Pg des Ständers 1 mit der Polachse P_L des Läufers, der auch mehrere Dauermagnete aufweisen kann, einen spitzen Winkel einschließt,. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß die beim Einschalten des Motors zuerst erregte Wicklung sofort ein Drehmoment auf den Läufer 9 ausübt und der. Motor selbständig anläuft.

Das gleiche läßt sich nach Fig. 7 durch eine entsprechende unsymmetrische Verteilung der Nord- und Südpole des Läufers 9 erreichen. Eine andere Möglichkeit einer entsprechenden unsymmetrischen Verteilung der Induktion im Luftspalt des Motors besteht darin, den Luftspalt sich in Umfangsrichtung verjüngen oder vergrößern zu lassen. Diese Maßnahmen können auch kombiniert werden.

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Claims

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Patentansprüche

f 1. vBürstenloser Gleichstrommotor mit selbständigem Anlauf, ins- ^—-^besondere für eine hermetisch gekapselte Kältemaschine, mit einem einen Dauermagneten aufweisenden Läufer, mit einer Ständerwicklung, deren Durchflutung durch ein mit dieser in Reihe an der Gleichstromquelle liegendes steuerbares elektronisches Stellglied in Abhängigkeit von der Drehwinkellage des Läufers steuerbar ist, und mit einem zur Erfassung der Drehwinkellage dem Läuferfeld ausgesetzten magnetfeldabhängigen Bauelement, dessen feldabhängige Parameteränderung in Steuersignale für das Stellglied umsetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetfeldabhängige Bauelement eine Fühlerspule (10) mit einem durch das Läuferfeld sättigbaren Kern ist.
2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern der Fühlerspule (10) zumindest teilweise aus Ferrit besteht.
3. Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern der Fühlerspule (10) vormagnetisiert ist.
4. Motor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern der Fühlerspule einen Dauermagneten (17) aufweist.
5. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ständer (1) außer einer ersten V7icklung (2) nur noch eine zweite, in Reihe mit einem zweiten Stellglied (5) an der Gleichstromquelle (6) liegende Wicklung (3) aufweist und das zweite Stellglied (5) ebenfalls durch Steuersignale steuerbar ist, die aus den Parameteränderungen der Fühlerspule (10) abgeleitet sind.
6. Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine an der Gleichstromquelle (6) angeschlossene Verbindung der Ständerwicklungen (2, 3) mit einem Anschluß der Fühlerspule

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(10) verbunden ist.
7. Motor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß

die Stellglieder als Schalter betriebene Leistungstransistoren (4, 5) sind.
8. Motor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zu jedem Leistungstransistor (4; 5) eine Diode (7; 8) antiparallelgeschal tet ist.
9. Motor nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte der Ständerwicklungen (2, 3) eng nebeneinander gewickelt und einander gleich sind.
10. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die statische Magnetfeldverteilung zwischen Läufer (9) und Ständer (1) in Umfangsrichtung derart gewählt ist, daß die Polachse (P_T ) des Läufers im Stillstand einen spitzen

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Winkel mit der Polachse (Pg) des Ständers bildet und daß die Stillstandslage des Läufers (9) in bezug auf die eines vom Motor angetriebenen, abwechselnd Arbeits- und Leerhübe ausführenden Arbeitselements so gewählt ist, daß der Motor unbelastet anläuft, z. B. während eines Saughubes des Kompressors einer Kältemaschine.
11. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung der den selbständigen Anlauf gewährleistenden Magnetfeldverteilung der Luftspalt zwischen Ständer und Läufer in Umfangsrichtung unterschiedlich ausgebildet und/oder ein Dauermagnet (18) in der Nähe des Läuferumfangs und/oder im Läufer (9) eine unsymmetrische Dauermagnetpolverteilung vorgesehen ist.

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