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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches Bauelement
zum Starten eines Synchronmotors mit Dauermagneten.
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Bekanntermaßen bestehen
bei einem Synchronmotor mit Dauermagneten, insbesondere in der Ein-Phasen-Ausführung mit
einem gabelartigen Abstimmstator und einem Rotor mit Dauermagneten, beträchtliche
Probleme beim Starten, und zwar auf Grund der Tatsache, dass der
Rotor von einem Zustand, in dem seine Drehzahl Null beträgt, in einen Zustand übergeht,
in dem er mit der Stromquelle über die
Frequenz gekoppelt ist.
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Wenn
beispielsweise die Frequenz der Stromquelle 50 oder 60 Hz beträgt, sollte
der Rotor die Synchrondrehzahl in einer Zeit erreichen, die einer
Halbwelle entspricht. Dies ist jedoch ziemlich problematisch, insbesondere
wenn der Rotor ein beträchtliches
Trägheitsmoment
hat und das Gegendrehmoment der anliegenden Last nicht Null beträgt.
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Um
alle diese Einschränkungen
zu überwinden,
wurden zu diesem Zweck verschiedene Lösungen angedacht, die elektronische
Schaltkreise verwenden; insbesondere ist in der von der vorliegenden Anmelderin
stammenden EP-0574823 ein elektronisches Bauelement zum Starten
eines Synchronmotors mit Dauermagneten offenbart, dessen Besonderheit
darin besteht, dass es besonders einfach und kostengünstig herzustellen
ist.
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In
diesem Patent ist beschrieben, wie das elektronische Bauelement
zum Starten des Synchronmotors mit Dauermagneten die Stellung des Rotors
mit Hilfe eines entsprechend vorgesehenen Sensors erfasst, unterstützt durch
ein System einer Steuerschaltungslogik, welcher Sensor durch Ansteuern
eines statischen Schalters, wie z.B. eines Triacs, entscheidet,
ob zu einem bestimmten Zeitpunkt die Statorwicklung, je nach der
Polarität
der Spannung der Stromversorgungsquelle, mit Strom zu versorgen
ist oder nicht, wodurch ein magnetischer Fluss im Stator erzeugt
wird. Dieser Fluss erzeugt durch Wechselwirkung mit dem durch den
Rotor erzeugten Magnetfeld ein Drehmoment, das in der Lage ist,
den Rotor in einer bestimmten Drehrichtung zu beschleunigen, bis
die für
die externe Stromquelle typische Synchrondrehzahl von beispielsweise
50 oder 60 Hz erreicht ist und beibehalten wird.
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Um
stets den Zustand des maximalen Drehmoments während der Übergangszeit beim Starten und
dadurch die kleinste Zeitspanne zur Rotorsynchronisation zu haben,
lehrt das oben angeführte
Patent, dass das Signal bezüglich
der Rotorstellung in einem entsprechend ausgelegten Schaltungsblock verarbeitet
werden muss, um durch Veränderung
der Taktung das Schalten des Triac in den leitfähigen Zustand auf die Phasenverschiebung
anzupassen, wobei über
den Triac die Statorspule mit Strom versorgt wird; die Phasenverschiebung
tritt auf zwischen der externen Versorgungsquellenspannung und dem Strom,
der in der Spule fließt
und dieselbe Phase hat wie der magnetische Fluss im Stator.
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Der
Schaltungsblock, der diese Phasenverschiebung bestimmt, ist als
Phasenschiebernetz bekannt.
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Bei
Abwesenheit des Phasenschiebernetzes kann der statische Schalter
(beispielsweise der Triac) nur dann betrieben werden, wenn theoretische
Bedingungen vorliegen, also die Stellung des Rotors und die Spannung
des Stromversorgungsnetzes, nicht aber bei realen Bedingungen, also
die Stellung des Rotors und der in der Statorspule fließende Strom.
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Die
unmittelbare Konsequenz dessen ist die Entstehung von Spitzendrehmomenten,
die der Drehung des Rotors entgegenwirken und die Entstehung von
Drehmomenten mit einem geringeren Durchschnittswert in der Halbwelle
und in der Gesamtwelle, mit Bezug auf die Spannung der elektrischen
Stromversorgung.
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Dementsprechend
geht man bei hohen, entgegenwirkenden Lasten bei der Überganszeit
zum Starten des Motors einen Kompromiss ein. Das Phasenschiebernetz
hat daher die Aufgabe, während
der Übergangszeit beim
Starten das an der Motorwelle maximal verfügbare Drehmoment sicherzustellen, und
darüber
hinaus das Ankoppeln des Motors an entgegenwirkende Lasten zu ermöglichen,
die bei der Synchronisation im Mittel höher sind.
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Während sie
vorteilhaft bezüglich
des Wirkungsgrads ist, hat die oben beschriebene Lösung, die
Gegenstand des zuvor genannten Patents ist, Nachteile und Einschränkungen,
die hauptsächlich darauf
zurückzuführen sind,
dass das Phasenschiebernetz durch handelsübliche passive elektronische Komponenten
gebildet ist, die in Standardausführung vorliegen und daher billig
sind, bei denen sich die auf die Nennleistungsparameter bezogenen
Herstellungstoleranzen unweigerlich durch den industriellen Fertigungsprozess
noch weiter verändern,
was zusammengenommen für
bestimmte Anwendungen des Synchronmotors mit Dauermagneten einen
Betriebsbereich ergibt, der so schmal ist, dass der Einsatz von
elektronischen Komponenten geboten ist, die von höherer Qualität sind und
auch mehr kosten. Dies führt
natürlich
zum Verlust oder zu einer Reduzierung der finanziellen Vorteile,
nach denen man mit dem Bauelement gemäß dem oben genannten Patent
trachtet. Außerdem
unterliegen diese elektronischen Bauteile während ihrer Lebensdauer und
als Folge von Temperaturschwankungen einem Abdriften von ihren Nennwerten,
was den brauchbaren Produktionsbereich noch weiter einschränkt. Eine weitere
bekannte Lösung
aus dem Stand der Technik ist im US-Patent Nr. 5,675,226 offenbart,
das sich auf eine Steuerschaltung zum Starten eines Motors bezieht
und einen Triac beinhaltet, der in Reihe mit einer Statorwicklung
des Motors über
die Anschlüsse einer
Wechselstromquelle geschaltet ist.
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Dem
Rotor ist ein feststehender Sensor zugeordnet, um ein Signal abzugeben,
das die magnetische Polarität
des Teils des Rotors anzeigt, der dem Sensor gegenüberliegt.
Ein weiterer Sensor stellt die Polarität der Wechselspannungsquelle
bereit und eine Ansteuerschaltung ist mit dem Triac verbunden, um
den Motor entsprechend der momentanen Posi tion des Rotors und der
Polarität
der Versorgungsspannung in Gang zu setzen.
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein elektronisches
Bauelement zum Starten eines Synchronmotors mit Dauermagneten bereitzustellen,
durch das die Nachteile minimiert sind, die durch die Toleranz der
elektronischen Bauelemente verursacht werden, die in der Start-
und Steuerschaltung des Motors verwendet werden.
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Innerhalb
dieses Ziels besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin,
ein elektronisches Bauelement zum Starten eines Synchronmotors mit Dauermagneten
bereitzustellen, das über
die Zeit gesehen stabil ist und kaum auf Schwankungen der Betriebstemperatur
reagiert.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein elektronisches
Bauelement zum Starten eines Synchronmotors mit Dauermagneten bereitzustellen,
mit dem man das durch analoge elektronische Komponenten gebildete
Phasenschiebernetz eliminieren kann, womit sich die Endkosten des Bauelements
verringern.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein elektronisches
Bauelement zum Starten eines Synchronmotors mit Dauermagneten bereitzustellen,
bei dem die Gesamtanzahl von Komponenten der Schaltung reduziert
ist.
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Eine
andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein elektronisches
Bauelement zum Starten eines Synchronmotors mit Dauermagneten bereitzustellen,
das hochgradig zuverlässig und
relativ einfach herzustellen ist, und zwar bei wettbewerbsfähigen Kosten.
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Dieses
Ziel sowie diese und weitere Aufgaben, die im Folgenden deutlicher
zutage treten werden, wird erreicht bzw. werden gelöst durch
ein elektronisches Bauelement zum Starten eines Synchronmotors mit
Dauermagneten, das eine logische Steuereinrichtung umfasst, mindestens
einen Schalter, der zwischen einer Stromquelle und einem Synchronmotor
mit Dauermagneten in Reihe geschaltet ist, eine Sensoreinrichtung,
die zum Bestimmen der Polarität
und der Stellung des Rotors des Motors geeignet ist, dadurch gekennzeichnet,
dass die logische Steuereinrichtung zum Übermitteln eines Ansteuersignals
an die Schaltereinrichtung in Abhängigkeit von einem Signal,
das von der Sensoreinrichtung ankommt, und einem Spannungssignal
von der externen Stromquelle geeignet ist.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich klarer aus der
Beschreibung einer Ausführungsform
des Startbauelements gemäß der vorliegenden
Erfindung, die lediglich mittels eines nicht einschränkenden
Beispiels in den begleitenden Zeichnungen dargestellt ist, in denen:
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1 eine
schematische Ansicht eines Synchronmotors mit Dauermagneten ist,
der dazu geeignet ist, mit einem Bauelement gemäß der vorliegenden Erfindung
gestartet zu werden;
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2 eine
vergrößerte Ansicht
des Rotors und der Pole des Motors von 1 ist, in
der darüber hinaus
die Position eines Sensors zum Bestimmen der Winkelposition des
Rotors und der Polarität
dargestellt ist;
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3 ein
Blockschaltbild des Startbauelements gemäß der vorliegenden Erfindung
ist;
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4 eine
Ansicht der Ruheposition des Rotors bezüglich der Mittelachse des Stators
ist;
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5 eine
Ansicht der Stellung des Rotors in einer anderen Situation ist,
in der eine korrekte Drehung und ein Nulldurchgang der Spannung
der Stromversorgungsquelle auftreten; und
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6 eine
Ansicht der Stellung des Rotors in einem Zustand ist, in dem eine
korrekte Drehrichtung und ein Nulldurchgang des Stroms auftreten,
der in den Statorspulen fließt.
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Mit
Bezug auf die Figuren besteht der Synchronmotor, dem das Startbauelement
gemäß der vorliegenden
Erfindung zugeordnet werden kann, aus einem Statorpaket 1 mit
zwei unsymmetrischen Polen und mit einem unsymmetrischen Spalt 4, 5, 6, 7.
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In
dieser Ausbildung ist bei dem Rotor dessen Bezugsachse 9,
die idealerweise den Nordpol vom Südpol trennt, in einer Stellung,
die nicht mit der Mittelachse 10 zusammenfällt, wie
es der Fall wäre, wenn
die Statorpole vollkommen symmetrisch wären, und zwar ist die Stellung
so, dass die Achse 9 um einen bestimmten Winkel gekippt
ist, um das gerichtete Anlaufen des Rotors in eine Richtung beim
Startvorgang zu ermöglichen.
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Auf
die Verlängerungen
des Statorpakets sind Erregerspulen 13 bzw. 14 aufgesetzt,
die mittels Anschlüssen 15 in
Reihe mit der Wechselstromversorgung angeschlossen sind.
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Die
elektronische Stromversorgungsschaltung ist schematisch in dem Blockschaltbild
von 3 gezeigt und besteht aus einer logischen Steuereinrichtung 16 für einen
statischen Leistungsschalter, z.B. ein Triac, die in Reihe mit der
Wechselstromversorgung 18 und dem Synchronmotor mit Dauermagneten
geschaltet ist.
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Eine
Sensoreinrichtung 21 erfasst die Polarität und die
Stellung des Dauermagnetrotors des Synchronmotors 19 während seiner
Drehung, oder auch bei Stillstand bzw. in seinem Ruhezustand, in
dem seine Drehzahl Null ist.
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Über einen
Eingang 23 wird das Ausgangssignal der Sensoreinrichtung 21 in
die logische Steuereinrichtung 16 eingegeben, während ein
zweites, über
einen Eingang 24 in die logische Steuereinrichtung 16 eingehendes
Signal für
die Spannung der elektronischen Stromversorgung steht.
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Die
logische Steuereinrichtung 16 umfasst einen diskreten oder
programmierbaren Logikkreis, der nach Durchführung der digitalen Umsetzung
der analogen Signale 23 und 24, die von der Sensoreinrichtung 21 bzw.
von der Stromversorgung ankommen, mittels eines entsprechenden Signals
das Öffnen
oder Schließen
des statischen Schalters 17 bestimmt, der mit dem Motor 19 in
Reihe geschaltet ist.
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Das
Signal, das von der Sensoreinrichtung 21 ankommt, die zweckmäßigerweise
in der Bauart mit Hall-Effekt sein kann, tritt über den Eingang 23 in die
logische Steuereinrichtung 16 ein und wird verarbeitet,
ohne dass dabei irgendeine Phasenveränderung eingeschleppt wird,
die die Relativposition bezüglich
der Spannung oder bezüglich
der Punkte des Nulldurchgangs des Stroms nach hinten oder vorne verschiebt.
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In 4 ist
die Anordnung der Sensoreinrichtung 21 dargestellt. Für den in
den 4, 5 und 6 gezeigten
Fall sei – lediglich
um eine gemeinsame Basis zu haben – angenommen, dass die logische
Steuereinrichtung 16 den Statorstrom über den statischen Schalter 17 freigibt,
um so ein Magnetfeld zu erzeugen, das eine Drehung des Rotors im Gegenuhrzeigersinn
(durch den Pfeil 45 angegeben) nur dann begünstigt,
wenn die Sensoreinrichtung 21 dem Südpol des Rotors mit Dauermagneten
gegenüberliegt.
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Somit
ist eine Bezugsachse 39 definiert, die die Mittelachse
des Stators darstellt, und es sind auch die folgenden Winkel definiert
und werden als positiv betrachtet, wenn die Bogenlänge zwischen der
Achse 39 und der Winkelposition der Sensoreinrichtung 21 mit
den 4, 5 und 6 als Bezug
im Uhrzeigersinn liegen:
- φ0 =
Winkel des Rotors im Ruhezustand, bezeichnet mit der Bezugszahl 40
- φSH = Position des Hall-Sensors, bezeichnet
mit der Bezugszahl 41
- φR = Rotorphasenverschiebung beim Nulldurchgang der
Spannung, bezeichnet mit der Bezugszahl 42
- ϑL = Phasenverschiebung zwischen
der Spannung der externen Stromquelle und dem Strom, der in den Statorwicklungen
fließt,
als Lastwinkel bezeichnet und mit der Bezugszahl 43 angegeben.
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6 zeigt
auch, und bezeichnet mit der Bezugszahl 43, die Phasenverschiebung ϑL zwischen der Spannung der externen Stromquelle
und dem Strom, der in den Statorwicklungen fließt, die sich berechnet als
der Winkel zwischen der Achse 9b, die die Position der
Achse 9 zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs des Stroms darstellt,
und der Achse 9a, die die Position der Achse 9 zum
Zeitpunkt des Nulldurchgangs der Spannung darstellt, was beispielhaft in 5 gezeigt
ist.
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Die
folgenden mathematischen Werte sind dann definiert:
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Statische
Phasenspanne φMO: Winkel zwischen der Position des Sensors
und der Achse des Magneten im Ruhezustand
- A) φMO = φSH – φ0
Phasenspanne für korrekte Drehung φMC beim Nulldurchgang des Stroms
- B) φMC = φSH – φR + ϑL
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Bei
den soweit dargestellten Bedingungen für das Starten und die Synchronisation
sollten die statische Phasenspanne und die Phasenspanne für korrekte
Drehung den höchstmöglichen
Absolutwert haben; in diesem Fall eine positive Eins.
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Der
Phasenverschiebungswinkel ϑL hängt von
der Drehzahl des Rotors und von der Last ab, mit der der Motor beaufschlagt
wird.
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Die
Besonderheit der Erfindung besteht darin, dass Werte des Winkels
in der Ruhelage des Rotors φ0 und Werte der Position der Sensoreinrichtung φSH eingestellt werden, die auf Grund des
Nichtvorhandenseins eines Phasenschiebernetzes und auf Grund der
Einzigartigkeit der Position der Sensoreinrichtung 21, φSH, die Gleichungen A und B bestimmen.
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Gleichung
B lehrt, dass es einen optimalen Wert für die Position der Sensoreinrichtung 21 gibt, φSH, der vom Winkel ϑL abhängt, der
bei Nichtvorhandensein einer Phasenverschiebung lediglich bestimmt
ist durch die angelegte Last und der die Kopplung zwischen dem Synchronmotor 19 mit
Dauermagneten und der aufgebrachten Last bis auf das maximal mögliche Niveau
optimieren kann.
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Gleichung
A liefert die exakte Position der Sensoreinrichtung, φSH, welche die mechanisch bestimmte Position
ist, wie sie beispielhaft in 2 wiedergegeben
ist.
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Beim
Starten des Synchronmotors ist es zweckmäßig, dass die größtmögliche statische
Phasenspanne φMO vorliegt. Dieser Zustand führt, sobald ein
Ruhewinkel des Rotors φ0 sich eingestellt hat, der von der Geometrie
der Statorpolteile abhängt,
zur Bereitstellung des größtmöglichen
Anbringungswinkels der Sensoreinrichtung 21, φSH, der innerhalb des Bereichs von Werten
liegt, die durch die folgenden Formeln angegeben sind:
- C) φ0 < φSH < (180° + φ0)
- D) (φR – ϑL) < φSH < (180° + φR – ϑL)
wobei die erste Gleichung die
Grenze für
den Startwinkel definiert, während
die zweite Gleichung die Grenze für den Betriebswinkel definiert.
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Während der
Synchronisation ist die Phasenspanne für eine korrekte Drehung durch
Gleichung B eindeutig bestimmt; sobald die Position des Rotors φR zu einem gegebenen Zeitpunkt bestimmt ist,
stellt sich heraus, dass Maximalwerte von φSH,
die in dem durch Gleichung C definierten Intervall enthalten sind,
Minimalwerten für
den Lastwinkel des Rotors ϑL zugeordnet
sind, die niedrigen Gegenlasten entsprechen, was das Gegenteil von
dem ist, was angestrebt wird. Von daher definieren der Startzustand und
der Synchronzustand einen Optimalwert für φSH, der
sowohl Gleichung C als auch Gleichung D erfüllt, um ein Signal 23 (das
von der Sensoreinrichtung 21 ankommt) zu ermitteln, das
für einen
bestimmten Motor und eine vom Motor angetriebene, gegebene Last optimiert
ist.
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Die
Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung liefert im Wesentlichen eine mechanische Phasenverschiebung,
die erhalten wird, indem man den Sensor 21 entsprechend
mit einem Anordnungswinkel positioniert, der in dem Intervall von
Werten liegt, das durch die oben angeführten Formeln C und D bestimmt
ist.
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An
dem so entworfenen Bauelement können zahlreiche
Modifikationen vorgenommen werden, die alle innerhalb des Umfangs
des erfindungsgemäßen Konzepts
liegen, das durch die hier beigefügten Ansprüche definiert ist; alle Einzelheiten
können
darüber
hinaus ersetzt werden durch andere technisch äquivalente Elemente.
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Dort
wo auf in irgendeinem Anspruch erwähnte technische Merkmale Bezugszeichen
folgen, sind diese für
den alleinigen Zweck der Erhöhung
der Verständlichkeit
der Ansprüche
mit aufgenommen und demzufolge haben derlei Bezugszeichen keinerlei
einschränkende
Wirkung auf den Umfang jedes Elements, das beispielhaft durch solche
Bezugszeichen bezeichnet wurde.