ES2207764T3 - Procedimiento y dispositivo para el arranque y el funcionamiento de un motor sincrono monofasico de imanes permanentes. - Google Patents
Procedimiento y dispositivo para el arranque y el funcionamiento de un motor sincrono monofasico de imanes permanentes.Info
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Abstract
ESTRUCTURA Y METODO RELATIVOS A UN MOTOR SINCRONO MONOFASICO CON UN ROTOR DE IMAN PERMANENTE Y DOS DEVANADOS, NO NECESARIAMENTE IGUALES, CON UNA FASE QUE DIFIERE EN 90 GRADOS ELECTRICOS. EL ARRANQUE Y EL FUNCIONAMIENTO EN REGIMEN ESTAN CONTROLADOS POR INTERRUPTORES ESTATICOS SIN UTILIZAR SENSORES DE POSICION DEL ROTOR.
Description
Procedimiento y dispositivo para el arranque y el
funcionamiento de un motor sincrono monofásico de imanes
permanentes.
Esta invención se refiere a un dispositivo basado
en: a) un motor síncrono monofase con un rotor de imán permanente y
dos devanados no necesariamente iguales que difieren en fase 90
grados eléctricos, en particular para poner en funcionamiento bombas
de circulación para lavavajillas o análogos o para aplicaciones que
requieren potencia baja e implican bajas cargas inerciales, y b) un
circuito electrónico para mover el motor mediante conmutadores
estáticos.
Por las solicitudes de patente italianas
anteriores a nombre del solicitante de la presente invención, se
conocen motores síncronos monofase con un rotor de imán permanente,
en particular motores con un solo devanado formado por bobinas de
solenoide que tienen una configuración especial del intervalo de
aire relativo, y asociadas con uno o varios sensores de posición de
rotor, permitiendo estos últimos que el motor se arranque en la
dirección requerida y que su velocidad rotacional sea controlada por
un circuito excitador electrónico adecuado (véase también EP
0682404).
US 5.144.564 se refiere específicamente a motores
de imán permanente que tienen al menos tres devanados de estator y
describe una metodología específica que permite la eliminación de un
sensor de rotor de posición.
Un objeto de esta invención es proporcionar un
dispositivo provisto del motor especificado inicialmente que permite
arrancar el motor y que funciona sin sensores de posición para los
rotores relativos.
Otro objeto de la invención es proporcionar un
dispositivo en el que el motor tiene un intervalo de aire homogéneo
y una laminación magnética de forma circular o rectangular o en
cualquier caso simétrica alrededor del eje de rotación para reducir
el tamaño general del motor, con influencia correspondiente en el
tamaño general de la unidad de motor/bomba en el caso de tal
instalación, y simplificar su montaje en el motor usando la unidad
de motor/bomba.
Otro objeto de la invención es proporcionar un
dispositivo que permite elegir una velocidad de sincronización para
el motor que difiere de la relacionada con frecuencia de la red,
dentro de límites razonables.
Un objeto importante de la invención es
proporcionar un método para manejar el arranque y el funcionamiento
del motor.
Otro objeto de la invención es proporcionar un
método para identificar la posición angular del rotor sin ayuda de
sensores.
Estos y otros objetos de la invención que serán
más evidentes por la descripción detallada expuesta más adelante se
alcanzan con un dispositivo y un método según las ideas de las
reivindicaciones acompañantes. Una definición exacta de la invención
se expone en las reivindicaciones.
La invención se describe a modo de ejemplo no
limitador con referencia a algunas de sus realizaciones preferidas,
ilustradas en los dibujos anexos, en los que:
La figura 1 es una vista esquemática de un motor
eléctrico según la invención.
La figura 2 es una vista esquemática del
dispositivo de la invención.
La figura 3 es una vista esquemática de un
detalle del dispositivo de la figura 2.
La figura 4 es una vista esquemática de una
modificación simplificada de la representada en la figura 3.
La figura 5a muestra la variación de la corriente
en los devanados de estator del motor eléctrico durante su primera
etapa de arranque (1ª etapa).
La figura 5b muestra esquemáticamente el motor
eléctrico al comienzo de la etapa de arranque.
La figura 6a muestra la variación de corriente en
los devanados de motor al comienzo de la segunda etapa de arranque
de motor.
La figura 6b muestra esquemáticamente el motor
eléctrico al comienzo de esta etapa de arranque.
La figura 7a muestra la variación de corriente en
los devanados de motor al comienzo de la tercera etapa de
arranque.
La figura 7b muestra esquemáticamente el motor
eléctrico al comienzo de dicha tercera etapa de arranque.
La figura 8a muestra la variación de corriente en
los devanados de motor al comienzo de la cuarta etapa de
arranque.
Y la figura 8b muestra esquemáticamente el motor
eléctrico al comienzo de dicha cuarta etapa de arranque.
La figura 1 muestra una de las posibles
realizaciones del motor eléctrico M que forma una parte fundamental
del dispositivo de la invención. Por razones de simplicidad, pero
sin que esto constituya una limitación de la invención, el motor se
representa en la configuración de polos salientes, a saber en la
versión de dos polos. El motor M incluye un paquete de estator 1
dentro del que hay un rotor R formado a partir de imanes permanentes
2, cuyas polaridades se indican por N y S. En los polos salientes
hay dos devanados 3, 4 con relación a las fases de motor, denominado
uno (3) el principal y el otro (4) como el auxiliar para facilitar
la descripción. El devanado principal 3 está dividido en dos partes
31 y 32 que están situadas en los dos polos salientes que tienen el
mismo eje magnético A-B, y está entre los terminales
10 y 11.
El devanado auxiliar 4, que está entre los
terminales 12 y 13, también está dividido en dos partes 41, 42, que
están situadas en los dos polos que tienen el mismo eje magnético
D-C perpendicular al precedente.
Como se puede ver en el esquema de la figura 2,
en el que el motor M se representa esquemáticamente en forma de su
rotor R y sus dos devanados 3, 4, el terminal 10 y el terminal 12
están conectados a una fuente de electricidad CA monofase, por
ejemplo la electricidad de la red, indicada por 20, mientras que los
terminales 11 y 12 están conectados a la línea de retorno de la red
mediante respectivos conmutadores estáticos 23, 24 (por ejemplo
triacs) mostrados por razones de sencillez en forma de interruptores
mecánicos. La fuente 20 también está conectada a un módulo o bloque
de control electrónico (por ejemplo, un microprocesador) 69 mediante
la línea de señal 25. Los terminales 11 y 13 están conectados
respectivamente al bloque electrónico 69 mediante las líneas de
señal 70 y 71.
Las salidas 57 y 58 de dicho bloque 69 activan
los conmutadores estáticos 23, 24 respectivamente.
El voltaje que, cuando el motor está operando,
está presente entre las líneas de señal 25 y 70 tiene dos
componentes: el primer componente es inducido por el flujo debido a
la corriente Im que circula a través del devanado principal 3,
siendo inducido el segundo componente por el flujo del rotor R y
siendo proporcional a la velocidad angular y a la posición angular
(variable con el tiempo) del rotor.
Igualmente, las consideraciones expuestas en el
párrafo anterior son válidas para los voltajes presentes en las
líneas de señal 25 y 71 y por lo tanto referentes al devanado
auxiliar. Se deberá observar que el segundo componente del voltaje
inducido por el rotor en el devanado auxiliar 4 difiere en fase 90º
del voltaje medido a través del devanado principal. Este
desplazamiento de fase se debe al desplazamiento espacial de 90º de
los ejes magnéticos A-B y C-D, véase
la figura 1.
Dado que los conmutadores estáticos producen
naturalmente una caída de voltaje y esta caída de voltaje es
proporcional a la corriente que fluye a su través (y que fluye a
través de los devanados), no es necesario medir esta corriente
directamente, permitiendo esta corriente, junto con los datos de
voltaje de los dos párrafos anteriores, calcular la posición del
rotor R sin utilizar sensores, por ejemplo sensores de efecto Hall.
La caída de voltaje a través de los conmutadores estáticos es la
presente en las líneas de señal 70, 71.
Las tres señales presentes en las líneas 25, 70 y
71 cuando son procesadas en el bloque electrónico de control 69 son
suficientes para operar los conmutadores estáticos 23 y 24 mediante
las señales de control de las líneas 57 y 58 y para garantizar el
arranque (en la dirección requerida) y el funcionamiento del motor
sin la ayuda de otras señales que se originan en cualquier tipo de
sensor de posición para el rotor R (por ejemplo sensores de efecto
Hall, bobinas de señal, etc), como será evidente por la descripción
siguiente.
El procesado de las tres señales indicadas se
implementa, como se ha indicado, en el bloque electrónico 69, y se
describe en relación a la figura 3, observando que el procesado de
las señales de uno de los devanados 3, 4 corresponde exactamente al
del otro.
Por esta razón, la descripción siguiente se
limita al procesado de las señales del devanado 3, habiéndose usado
en la figura 3 los mismos números de referencia más un apóstrofe
para identificar partes o señales con relación al devanado 4.
Las señales de las dos líneas 25 y 70,
representativas del voltaje a través del devanado 3, se diferencian
en el bloque 61, cuya salida es una señal 63 que es proporcional al
voltaje aplicado al devanado 3 o, en los tiempos en que el
interruptor estático 23 está abierto, al voltaje inducido en el
devanado 3 por la rotación del rotor R.
Las señales 73 y 75 se restan de la señal 63 en
una unidad aritmética 76. Las dos señales 73 y 75 se obtienen como
sigue. La señal de voltaje de la línea 70 se divide en el bloque 90
por el valor de la resistencia Rt del interruptor estático 23 para
obtener el valor de la señal de corriente 92 a través del devanado
3. Multiplicando la señal 92 (es decir, la corriente a través del
devanado) por el valor óhmico de la resistencia de devanado R_{M}
en el bloque 72, se obtiene dicha señal 73 con relación a la caída
de voltaje resistivo. La señal 75 se obtiene multiplicando (en el
bloque 74) la derivada de la corriente 92 por la inductancia L del
devanado. Conociendo el voltaje (señal 63) aplicado al devanado 3 y
las dos caídas de voltaje (señales 73 y 75), se determina en la
unidad aritmética 76 el voltaje inducido en el devanado 3 por la
rotación del rotor R, representado por la señal de salida 37. Se
lleva a cabo una operación análoga en la señal de la línea 71 y en
la señal 63' para obtener la señal 37' con relación al devanado
auxiliar 4.
Dado que los voltajes inducidos por la rotación
del rotor R en los dos devanados 3, 4 son proporcionales a la
velocidad rotacional y a la posición angular del rotor, procesando
las señales relativas 37, 37' en el bloque 54, se obtiene una señal
39 que identifica la posición angular del rotor. Los bloques 77 y 83
operan como se describe en la solicitud de patente italiana
MI94A00941, con relación al procesado de dos cantidades, en este
caso 70 y 39 ó 71 y 39.
Específicamente, la señal de voltaje 70 en el
interruptor estático 23 se compara en el bloque 77 con la posición
angular (señal 39) del rotor. Cuando el voltaje 70 es positivo y la
posición angular del rotor (medido en la dirección hacia la
izquierda comenzando desde el lado derecho del eje
A-B de la figura 1) está entre 0 y 90 grados
eléctricos, la señal de control 58 para el interruptor estático
(triac) 23, cerrando el triac, aplica el voltaje positivo al
devanado principal 3. En contraposición, cuando la señal de voltaje
70 es negativa y la posición angular del rotor está entre 180º y
270º, el bloque 77 aplica voltaje negativo al devanado 3 mediante la
señal de control 58 y el interruptor estático 23. No se aplica
voltaje al devanado principal 3 durante los otros intervalos
angulares.
La señal de voltaje 71 en el interruptor estático
24 se compara en el bloque 83 con la posición angular del rotor R.
Cuando el voltaje 71 es positivo y la posición angular del rotor
está entre 90 y 180 grados eléctricos, la señal 57 que controla el
interruptor estático (triac) 24 cierra el triac para aplicar el
voltaje positivo al devanado auxiliar 4. En contraposición, cuando
el voltaje 71 es negativo y la posición angular del rotor está entre
270º y 360º, el bloque 83 aplica el voltaje negativo al devanado 4
por medio de la señal de control 57. No se aplica voltaje al
devanado auxiliar 4 durante los otros intervalos angulares (0º-90º y
180º-270º).
La unidad de control 69, mostrada con detalle en
la figura 3, se puede construir con componentes electrónicos
individuales para cada función o ejecutando todo el algoritmo de
control en un microprocesador.
También es posible insertar en los bloques de
control 77 y 83 el algoritmo de optimización para el voltaje
aplicado, descrito en la solicitud de patente MI94A002635. Optimizar
el voltaje aplicado permite optimizar la cantidad de materiales
activos en el motor, reduciendo así sus costos, porque bajo
cualquier condición operativa, con un voltaje de alimentación
variable y/o una carga variable, el motor recibe del circuito
electrónico un voltaje controlado que mantiene la corriente a través
de los devanados a valores mínimos, reduciendo así las pérdidas de
cobre.
Otro punto fuerte de esta invención es la
actualización del procesado y cálculo de la posición angular del
rotor a partir de las mediciones de dichas cantidades 25, 70 y 71,
efectuadas en cada momento en el que la corriente en los devanados
es cero, es decir cuando los conmutadores estáticos 23, 24 están
abiertos.
A este respecto, cuando los triacs o conmutadores
estáticos 23 y 24 presentes en el circuito electrónico no son
conductores, la corriente a través de los devanados es cero y las
señales 92 y 92' son cero, siendo las señales 63 y 63' los voltajes
inducidos solamente por la rotación y por la posición angular del
rotor, representando la señal 25 el voltaje de alimentación.
Comparando la figura 4 con la figura 3, se notará
como consecuencia que los bloques de procesado corrientes 90, 90',
72, 72', 74, 74' han desaparecido, porque la corriente a través de
los devanados es cero y en consecuencia las señales 73, 73', 75, 75'
también son cero. Las señales 37, 37' que se originan a partir de
los devanados 3, 4 se deben simplemente, como ya se ha mencionado en
relación a las señales 63 y 63' de la figura 3, a la fuerza
electromagnética inducida producida por la posición del rotor R y
por la velocidad rotacional.
Este algoritmo de cálculo introduce en
consecuencia una nueva simplificación. Como resultado, si se utiliza
el circuito formado con componentes discretos, se puede simplificar
y se puede reducir el número de componentes usados. Si se utiliza un
microprocesador, el algoritmo requiere menos tiempo para ejecución y
menos memoria para el programa.
Para arrancar el rotor de imán permanente del
motor síncrono monofase descrito formado con dos devanados que
difieren en fase 90 grados eléctricos y ponerlo en sincronismo, se
deberá observar lo siguiente:
- antes de arrancar, el rotor puede estar en
cualquier posición y en consecuencia no existe inicialmente
información relativa a la posición del rotor;
- el motor síncrono es incapaz de desarrollar un
par estático sin utilizar procedimientos especiales.
Según un aspecto particular importante de la
invención, el arranque se base en cuatro etapas del mismo algoritmo,
que se implementan una después de otra, por medio del dispositivo
antes descrito que mueve los dos conmutadores electrónicos 23, 24,
cada uno en serie con uno de los dos devanados de motor 3, 4.
* La primera etapa se basa en la posición forzada
del rotor R con el eje magnético relativo en una posición
exacta.
* La segunda etapa consiste en arrancar
inicialmente el rotor R en una dirección definida aplicando pulsos
de voltaje adecuados (o corriente).
* La tercera etapa, que es opcional, es para
aplicar un algoritmo definido para hacer que el rotor R gire a una
velocidad inferior a la velocidad síncrona si la carga (por ejemplo,
una bomba) requiere estabilización inicial a menos rpm.
* La cuarta etapa es la etapa final, en la que se
utilizan señales de posición de rotor R obtenidas directamente de
las mediciones de voltaje en los dos devanados 3, para sincronizar
el rotor R con la frecuencia de la red y mantenerlo a la velocidad
de rotación síncrona final.
En las tres primeras etapas de arranque, no se
utiliza información con respecto a la posición de rotor, mientras
que en la cuarta etapa, como se ha descrito hasta ahora (figuras 1 a
4), las señales de voltaje presentes a través de los devanados 3, 4
se miden en los momentos en los que los conmutadores estáticos 23,
24 están abiertos. Estas señales se identifican en consecuencia con
los voltajes inducidos por el efecto de la rotación del rotor R (del
tipo de imán permanente), siendo su valor directamente proporcional
a la velocidad del rotor y a su posición con relación a los ejes
polares de los devanados 3, 4.
Primera
etapa
Para "aparcar" el rotor R, es decir, para
poner su eje magnético E-F (Sur \rightarrow Norte)
en una posición deseada y bien definida, se aplica el algoritmo
siguiente, implementándose en los bloques 77, 83 y ejecutándose
cuando se cierra el interruptor de dispositivo de arranque 100
(figura 3). La implementación se puede realizar mediante un
microprocesador.
Con referencia a la figura 5, se actúa en el
devanado principal 3, por ejemplo, alineando el eje del rotor R con
el eje polar A-B para hacer que pase corriente
I_{M} a través de él en la dirección indicada.
Dado que el rotor R podría tener cualquier
posición inicial (eje magnético E-F), se producen
pequeños pulsos de corriente de amplitud creciente, positivos o
negativos, dependiendo de cómo se desea alinear el eje magnético de
rotor, poniendo en funcionamiento el interruptor estático 23.
Estos pulsos de corriente, que al comienzo son de
una amplitud tal que no muevan el rotor R, se incrementan en
amplitud con el tiempo hasta que se alcanza el tiempo en que es
cierto que existe el valor necesario para mover el rotor R de su
posición inicial a la posición establecida, es decir en la que los
ejes magnéticos A-B y E-F están
alineados (véase las figuras 5a y 5b).
El par aplicado al rotor es ligeramente más alto
que el mínimo necesario, evitando así la aceleración excesiva. En el
ejemplo representado en la figura 5B, el eje de rotor
E-F se coloca a lo largo del eje A-B
si solamente se aplican pulsos de corriente positivos de amplitud
creciente al devanado principal 3 (figura 5a). Después de empezar a
moverse hacia la posición deseada, el rotor R tiene una tendencia a
acelerar y a continuar su movimiento incluso cuando ha llegado a la
posición en el eje A-B.
Por esta razón el devanado principal 3 sigue
siendo alimentado con pulsos de corriente siempre positivos y cada
vez más grandes (figura 5a). A este respecto, después de que el
rotor ha pasado más allá del eje A-B, los pulsos de
corriente, cuya finalidad anterior era aproximarlo al eje
A-B, son ahora necesarios para frenar su movimiento
atrayendo el rotor y estabilizándolo en la posición final.
El procedimiento permite que el eje magnético
E-F del rotor se coloque en cuatro posiciones
principales (A-B, B-A,
C-D y D-C) y dos posiciones
auxiliares (G-H y H-G), es decir, el
polo Norte del rotor puede mirar a lo siguiente: una u otra de las
dos piezas de polo del eje A-B (posiciones
A-B y B-A); una u otra de las dos
piezas de polo del eje C-D (posiciones
C-D y D-C); o una u otra de las
posiciones intermedias entre las piezas de polo. En particular,
aplicando impulsos de corriente positivos crecientes al devanado
principal 3 (con la dirección de flujo I_{M} como en la figura
5b), el rotor R resulta aparcado en la posición en la que el eje de
rotor E-F está en alineación con el eje AB.
Pulsos de corriente negativos aplicados al
devanado 3, pero con la dirección de flujo de corriente contraria a
la de la figura 5b, ponen el rotor a lo largo del eje
B-A. Para alinear el rotor a lo largo del eje
C-D, se debe aplicar pulsos de corriente positivos
crecientes al devanado auxiliar 4 con la dirección de flujo de la
corriente I como en la figura 5b. Pulsos negativos aplicados al
mismo devanado auxiliar alinearían el rotor con el eje
D-C. Aplicando simultáneamente pulsos positivos a
ambos devanados de la figura 5b, el rotor se coloca con un eje
G-H a 45º al eje A-B. Pulsos
negativos de corriente aplicados a ambos devanados producirían el
efecto opuesto (alineación con el eje H-G).
A la terminación de la primera etapa existe la
situación siguiente: el rotor R tiene su eje magnético
E-F alineado con el eje magnético
A-B, y su velocidad rotacional es cero, es decir, el
rotor R está absolutamente parado sin ninguna oscilación mecánica
alrededor de su eje. Esto representa la condición inicial para
realizar la segunda etapa de arranque.
Segunda
etapa
La segunda etapa (figuras 6a, 6b) consiste en
aplicar pulsos de voltaje adecuados, pulsos de corriente o ambos a
ambos devanados 3, 4 para hacer que el rotor R comience a moverse en
la dirección elegida. Como es conocido, actúa par máximo en el rotor
R cuando el flujo magnético del estator se desplaza 90 grados
eléctricos del eje magnético de rotor E-F. Como hay
una situación bien definida al final de la primera etapa, es decir,
se conoce la posición angular del rotor, el rotor R se puede poner
en marcha en la dirección deseada aplicando una secuencia de pulsos
de corriente a ambos devanados 3, 4.
Para suministrar, por ejemplo, par máximo al
rotor cuando está alineado con el eje A-B, se debe
aplicar un pulso de corriente positivo o negativo I_{A} al
devanado auxiliar 4 (véase la figura 6a).
Si se desea girar el rotor R hacia la izquierda
(flecha F en la figura 6b), el eje de rotor E-F se
debe mover del eje A-B' hacia el eje
C-D; el par máximo que acelera el rotor en la
dirección del eje C-D se obtiene aplicando un pulso
de corriente positiva I_{A} de amplitud máxima al devanado
auxiliar 4 (con referencia a la dirección de la corriente I_{A},
indicada en la figura 6B).
El par suministrado al rotor es en este caso el
máximo disponible entre EL estator y EL rotor y, en consecuencia,
como resultado de la corriente aplicada, se logra aceleración del
rotor en la dirección hacia la izquierda (flecha F).
La necesidad de aplicar o no aplicar un segundo
pulso de corriente con la misma polaridad al mismo devanado 4 se
tiene que evaluar en base a la aplicación particular, el tipo de
carga o la inercia del sistema.
En el caso de bombas para aparatos
electrodomésticos, como la carga de la bomba a velocidad baja es
despreciable y como la inercia del sistema es baja, aplicando
solamente un pulso de corriente, el rotor se puede mover 90 grados
eléctricos en un tiempo igual al período de duración del pulso de
corriente aplicado (figura 6a).
A la terminación del pulso aplicado I_{A}, se
puede producir una situación nueva, es decir, el rotor ha adquirido
una cierta velocidad y gira hacia la izquierda. La posición angular
exacta del rotor no es conocida, aunque se puede suponer que cae
alrededor del eje C-D.
Para estabilizar la velocidad del rotor R, se
aplica entonces un segundo pulso de corriente, cuya finalidad es
mover angularmente el eje magnético de rotor de la posición
C-D a la posición nueva B-A; este
segundo pulso de corriente I_{M} es negativo y de amplitud máxima,
y se aplica al devanado principal 3. Este pulso realiza dos
funciones: acelera inicialmente el rotor hacia el eje
B-A y después lo frena si ha adquirido una velocidad
tal que el eje magnético de rotor E-F gire más allá
del eje magnético A-B del devanado activado
(devanado principal 4) antes de que el pulso de corriente muera
dentro del devanado.
Para girar el rotor R hacia la derecha, hay que
usar el mismo concepto indicado, pero con la aplicación de un pulso
de corriente negativo de amplitud máxima al devanado auxiliar 4.
Este pulso desplaza el eje magnético de rotor hacia alineación con
el eje D-C. El pulso de corriente siguiente será
negativo y se aplicará al devanado principal.
A continuación se utilizan dichos conceptos.
Al final de la segunda etapa, el rotor tiene una
velocidad distinta de cero y gira en la dirección deseada (es decir,
hacia la izquierda en el ejemplo). En la figura 7b el rotor R gira
hacia la izquierda, siendo la posición angular del rotor al final de
la segunda etapa alrededor del eje B-A.
Dado que el motor en cuestión tiene intervalo de
aire asimétrico, no hay pares de reluctancia que podrían influir en
la rotación del rotor y producir problemas de cambio en la dirección
de rotación.
Por lo tanto, para este motor, se puede afirmar
con certeza que al final de la segunda etapa el rotor tiene una
cierta velocidad, aunque no conocida, está girando hacia la
izquierda y su eje está alrededor del eje B-A.
Tercera etapa
(opcional)
Como es conocido, un motor síncrono también puede
operar, en el sentido de mantener el par a la velocidad de
sincronismo, en "bucle abierto" (es decir, sin realimentación)
aplicando pulsos de corriente a los devanados sin conocer la
posición angular exacta del rotor. Este método de operación es
posible solamente si no hay grandes variaciones en el par de carga y
en consecuencia en la velocidad.
Si la carga es una bomba para aparatos
electrodomésticos, en los que la carga es bastante constante para
una velocidad rotacional dada, se puede afirmar que las oscilaciones
de la carga, que están presentes pero son de pequeña extensión, se
compensan automáticamente por el efecto de las características
intrínsecas del motor síncrono, de manera que el rotor continúa
siguiendo la velocidad establecida por los pulsos de corriente
aplicados a los devanados, es decir, mantiene la velocidad de
sincronismo.
La etapa más crítica, es decir, el arranque del
motor, ha sido superada por la aplicación de las dos primeras etapas
de este algoritmo.
Al comienzo de la tercera etapa (figuras 7a, b)
es sabido que la posición angular del rotor está más o menos
alrededor del eje B-A con una velocidad rotacional
distinta de cero. Como el par necesario para acelerar el rotor y
para sincronizarlo a una velocidad inferior a la velocidad síncrona,
que está relacionada con la frecuencia de la red, es mucho menor que
el par máximo que puede ser suministrado por el motor en el caso de
bombas para aparatos electrodomésticos, la operación puede proseguir
con el algoritmo siguiente. En la práctica, la tercera etapa
comienza, para rotación hacia la izquierda, cuando el pulso de
corriente negativo I_{M} aplicado al devanado principal 3 ha
muerto (véase la parte final de la segunda etapa).
Para proseguir en la misma dirección de rotación,
es decir, hacia la izquierda, el pulso de corriente siguiente debe
empujar el rotor hacia el eje D-C, en consecuencia
este pulso debe ser de polaridad negativa y aplicarse al devanado
auxiliar 4 (véase la figura 7a). Dado que, como se puede ver por la
figura 7a, el primer pulso de corriente negativo I_{A} disponible
para el devanado auxiliar 4 aparece después de un semiperíodo de la
frecuencia de la red desde el final de la segunda etapa, el rotor
podría experimentar deceleración mientras tanto.
Dado que el par electromagnético que se aplica al
rotor es una función del ángulo entre el eje magnético
(E-F) del rotor y el eje polar del devanado
energizado, será evidente que, si en el momento de aplicación del
pulso de corriente negativo al devanado 4 el rotor está decelerando,
este ángulo es mayor que para una situación de movimiento rotativo
constante, y por lo tanto el par que actúe en el rotor para ponerlo
en el eje D-C será mayor. Por lo tanto, cuanto más
decelera el rotor durante esta etapa, cuando más alto es el par y en
consecuencia la aceleración aplicada por el pulso de corriente. La
posición siguiente a la que se desplaza el rotor es el eje
A-B.
Como ya se ha descrito, para lograr este
resultado se debe aplicar un pulso de corriente positiva al devanado
principal 3. Para proseguir y poner el eje magnético del rotor en
línea con el eje C-D, se debe aplicar un pulso de
corriente positiva al devanado auxiliar 4 (figura 7). De nuevo se
produce una etapa de deceleración posible, y en consecuencia se
aplica el razonamiento anterior. Para efectuar una revolución
completa comenzando en la posición que el rotor ocupaba al comienzo
de la tercera etapa, el rotor se debe poner en la posición angular
que ocupaba al comienzo, es decir, en la posición
B-A.
Cuando el pulso aplicado al final de la segunda
etapa era un pulso de corriente negativo al devanado principal 3,
será ahora necesario aplicar el mismo pulso para poder reaplicar
después cíclicamente el mismo procedimiento identificado por el
algoritmo en la tercera etapa.
En conclusión, para cada revolución del rotor
(motor de dos polos como en las figuras), se requieren cuatro pulsos
de corriente, dos para cada devanado. Esta secuencia de pulsos se
podría repetir hasta el infinito para permitir que el motor gire con
una velocidad de un tercio de la velocidad de sincronismo (tres
períodos de la frecuencia de la red para efectuar una revolución
completa).
Las aceleraciones y deceleraciones presentes
dentro de un ciclo son amortiguadas por la inercia del rotor, o más
bien de todo el sistema.
Por lo tanto, con el procedimiento descrito es
posible, en caso de necesidad, actuar en el motor y lograr una
velocidad rotacional inferior a la velocidad de sincronismo de la
red durante un período de tiempo deseado sin utilizar señales de
posición de rotor.
Para girar el rotor hacia la derecha, comenzando
al final de la segunda etapa, ya lograda para esta dirección de
rotación, se aplica el mismo algoritmo, pero teniendo en cuenta las
inversiones necesarias de pulsos de corriente.
El algoritmo descrito es uno de los algoritmos
posibles que permiten que el rotor gire con una velocidad que
representa un submúltiplo de la velocidad de sincronismo. En el caso
descrito se aplican cuatro pulsos de corriente a un ciclo completo,
es decir 360 grados eléctricos, girando el rotor a un tercio de la
velocidad de sincronismo.
Una de las ventajas que derivan de la aplicación
de este algoritmo es que la posición angular del rotor se conoce con
buena aproximación en cada instante.
El mismo concepto es aplicable también para otras
velocidades rotacionales obtenibles con un número diferente de
pulsos de corriente para efectuar una revolución.
La duración de la tercera etapa de arranque no es
fija puesto que depende de la aplicación, el tipo de carga y los
requisitos específicos. En un caso extremo podría no aplicarse,
saltando directamente a la etapa final, es decir, la cuarta.
Cuarta
etapa
La cuarta etapa se introduce teniendo ya una
dirección precisa de rotación del rotor y una velocidad que podría
ser un submúltiplo de la velocidad de sincronismo. En este punto se
puede proseguir de dos formas diferentes, que, sin embargo, conducen
al mismo resultado. La primera es utilizar solamente un devanado
para sincronizar el motor a la frecuencia de la red, siendo la
segunda utilizar ambos devanados 3, 4.
Es importante observar que los devanados 3, 4 no
son idénticos, puesto que el motor es un motor síncrono monofase. El
devanado principal 3 está diseñado para velocidades operativas
constantes, mientras que el devanado auxiliar 4 está generalmente
diseñado para operar solamente durante cortos períodos de
arranque.
Dado que el par motor puede ser generado por
ambos devanados, se deberá observar que el devanado auxiliar 4 es el
devanado dominante, es decir, el devanado que proporciona un par
mayor al motor (porque en general expresa una mayor fuerza
electromotriz).
Por esta razón, en ambos casos indicados, cuando
se hace que el motor sincronice con la frecuencia de la red, se
sincroniza más a causa del efecto del par generado por los pulsos de
corriente aplicados al devanado auxiliar 4 que a causa del efecto de
los aplicados, si están presentes, al devanado principal 3, puesto
que estos últimos son más débiles.
Si se elige utilizar solamente un devanado para
la etapa de sincronización, es evidente por lo indicado que
solamente recibe potencia el devanado auxiliar 4. A este respecto,
se utiliza el algoritmo descrito en nuestra solicitud de patente
italiana anterior MI94AO0941, es decir, para rotación hacia la
izquierda se aplican pulsos de corriente positivos al devanado
auxiliar 4 cuando el rotor está con su eje magnético dentro del arco
de 180º entre el eje D-C y el eje
C-D.
En contraposición, se aplican pulsos negativos de
corriente cuando el eje magnético de rotor está dentro del arco de
180º entre el eje C-D y el eje
D-C.
Para realizar esta operación la posición angular
del rotor R debe ser conocida. Se deduce de la manera antes descrita
de los voltajes inducidos a través de los devanados (figuras 1 a 4 y
la descripción relativa).
En base a los datos relativos a la posición
angular del rotor, se hace que los conmutadores estáticos 23, 24
conduzcan o no conduzcan, de la manera antes indicada (véase las
señales 57 y 58).
El uso del devanado auxiliar 4 solamente para
sincronizar el motor a la frecuencia de la red tiene la ventaja de
que, dado que el par generado es más fuerte, el motor es capaz de
alcanzar la velocidad de sincronismo incluso a un voltaje de
suministro inferior al de régimen.
Esto significa que el motor poseerá una mayor
facilidad para sincronización bajo carga, aunque haya oscilaciones
principales para reducir el voltaje aplicado al límite de tolerancia
permisible.
En el otro caso posible, en lugar de suministrar
potencia solamente al devanado auxiliar 4, el devanado principal 3
también recibe potencia. El algoritmo usado, de nuevo para rotación
hacia la izquierda y con referencia a la figura 8b, es idéntico en
este caso; sin embargo, se debe observar que ahora ambos devanados 3
y 4 pueden recibir potencia, y en consecuencia los conmutadores
electrónicos 23, 24 serán excitados en relación a la posición del
eje magnético E-F del rotor R en uno de los cuatro
cuadrantes formados por los ejes de los devanados.
Se aplica un pulso de corriente positivo al
devanado principal 3 cuando el eje magnético de rotor
E-F está en el cuadrante formado por los ejes
C-D y B-A.
Se aplica un pulso de corriente positivo al
auxiliar 4 cuando el eje magnético de rotor está dentro del
cuadrante formado por los ejes A-B y
C-D, mientras que se aplica un pulso de corriente
negativo al mismo cuando el eje magnético de rotor está en el
cuadrante formado por los ejes B-A y
D-C.
La figura 8a muestra la secuencia de pulsos con
referencia a un rotor R que al comienzo de la cuarta etapa está
girando hacia la izquierda y cuyo eje magnético E-F
ha pasado más allá del eje B-A.
Para el algoritmo se debería aplicar un pulso
negativo al devanado auxiliar 4, pero el rotor ya ha pasado, por
ejemplo, más allá del eje D-C antes de que el pulso
negativo se pueda obtener de la red, por lo tanto ahora resulta
necesario aplicar un pulso positivo al devanado principal 3. A este
respecto, el momento de cierre del interruptor estático 23 durante
el período de pulso positivo es visible en la figura 8a, en k.
El rotor sigue girando, y una vez que ha pasado
más allá del eje A-B, se debe aplicar un pulso
positivo al devanado auxiliar 4. De nuevo, no se puede obtener
inmediatamente una polaridad positiva de la red y en consecuencia el
rotor debe poder pasar más allá del eje C-D, cuando
se debe aplicar un pulso negativo al devanado principal 3.
Para la dirección de rotación contraria se aplica
el mismo procedimiento, con alimentación adecuada de los
devanados.
El algoritmo que usan los dos devanados 3, 4
tiene en algunos casos la ventaja de poner el rotor en sincronismo
dentro de un tiempo mucho más corto, y además es menos sensible a
cambios bruscos del par aplicado.
En el caso de bombas para aparatos
electrodomésticos, dado que pueden entrar burbujas de aire en la
bomba durante el arranque, se producen efectivamente fuertes
variaciones de par, siendo en consecuencia preferible aplicar el
segundo algoritmo.
De nuevo en este caso, el rotor se sincroniza por
el efecto de par generado por el devanado dominante, es decir, el
devanado auxiliar 4.
Para el funcionamiento correcto del motor, si se
ha puesto a velocidad de sincronismo con uno o dos devanados durante
la primera parte de la cuarta etapa, el sincronismo se debe mantener
ahora suministrando potencia solamente al devanado principal 3,
diseñado para ello, desactivando definitivamente el devanado
auxiliar 4 hasta el arranque siguiente.
La secuencia de operaciones requeridas es
sumamente importante y se implementa después de un período de tiempo
estimado adecuado según sea preciso para lograr sincronismo. Si las
operaciones no se implementan de la manera descrita más adelante, el
motor podría perder sincronismo, especialmente si recibe potencia a
voltaje bajo.
Dado que los dos devanados difieren en fase 90
grados eléctricos y el rotor R se sincroniza con respecto al
devanado auxiliar (dominante) 4 con un retardo dependiendo del
ángulo de carga, es esencial que el eje magnético del devanado
auxiliar 4 avance (90 grados eléctricos) con respecto al eje
magnético A-B del devanado principal, con el
resultado de que el eje magnético E-F del rotor R
estará entre los dos devanados en el momento de transferir potencia
entre los dos devanados.
De hecho, esto garantiza que el rotor se
sincronice con el campo generado por el devanado principal 3, porque
una vez que ha desaparecido el campo dominante del devanado auxiliar
4, el rotor R tiende a ralentizarse al instante, moviendo
inevitablemente su eje magnético E-F con un retardo
determinado por el ángulo de carga al eje magnético
A-B del devanado principal 3, y permaneciendo
"enganchado" a él.
Sin embargo, para evitar tal deceleración
repentina del rotor, el algoritmo (figura 8a - comienzo de la
segunda parte) realiza la alimentación simultánea de ambos devanados
3, 4 durante un semiperíodo de la frecuencia de la red antes de
transferir la potencia al devanado principal 3, para generar un
campo con un eje magnético intermedio entre los de los dos devanados
3, 4 y por lo tanto más próximo al eje magnético E-F
del rotor.
Si no se respeta la condición descrita, es decir
si el eje magnético del devanado principal avanza con respecto al
magnético del devanado auxiliar (y, por lo tanto, del rotor), en el
momento de transferir potencia, el eje de rotor tendrá que acelerar
bruscamente bajo el pulso de un campo que es más débil que el
seguido hasta ese momento, y esto puede dar lugar a pérdida de
paso.
La figura 8a muestra la secuencia correcta que
permite transferir potencia entre los dos devanados sin riesgo de
pérdida de paso.
Una vez que el rotor se sincroniza con respecto
al devanado principal 3, el motor opera a plena rpm, sincronizado a
la frecuencia de la red.
En este punto termina el algoritmo de
arranque.
En algunas aplicaciones, en las que el tiempo de
inicio es muy corto, el devanado auxiliar se puede dimensionar con
una cantidad mínima de cobre, reduciendo así el costo del motor.
Claims (11)
1. Método para arrancar y hacer funcionar, por
medio de un circuito electrónico que actúa en conmutadores
estáticos, un motor síncrono monofase con un rotor de imán
permanente y dos devanados no necesariamente iguales que difieren en
fase 90 grados eléctricos, en particular para poner en
funcionamiento bombas de circulación para lavavajillas o análogos o
para aplicaciones que requieren potencia baja e implican bajas
cargas inerciales, caracterizado por incluir tres etapas, que
consisten respectivamente en:
colocar a la fuerza el rotor (R) con su eje
magnético (E-F) en una posición dada;
arrancar inicialmente el rotor (R) en una
dirección definida aplicándole pulsos eléctricos, de voltaje o
corriente;
sincronizar la velocidad del rotor (R) y
mantenerla midiendo dos cantidades eléctricas representadas por el
voltaje de alimentación (25) del motor (1) y el voltaje (70, 71) en
los conmutadores estáticos (23, 24).
2. Un método según se reivindica en la
reivindicación 1, donde entre la etapa de arrancar inicialmente el
rotor en una dirección y la etapa de sincronización hay una etapa
intermedia en la que el rotor (R) se hace girar a una velocidad
inferior a la velocidad de sincronismo si la carga requiere
estabilización inicial a menos rpm.
3. Un método según se reivindica en la
reivindicación 1, donde esta medición, durante el funcionamiento,
tiene lugar cuando los conmutadores estáticos están en su estado
"abierto".
4. Un método según se reivindica en la
reivindicación 3, donde la posición angular del rotor se determina
en base al voltaje inducido en los devanados de motor por el flujo
del rotor.
5. Un dispositivo basado en: a) un motor síncrono
monofase (1) con un rotor de imán permanente (R) y dos devanados no
necesariamente iguales (3, 4) que difieren en fase 90 grados
eléctricos, en particular para poner en funcionamiento bombas de
circulación para lavavajillas o análogos o para aplicaciones que
requieren potencia baja e implican bajas cargas inerciales, y b) un
circuito electrónico (69) para activar el motor mediante
conmutadores estáticos (23, 24), caracterizado porque para
iniciar el motor (1) en una dirección elegida, dicho circuito
electrónico (69) incluye medios para poner a la fuerza el rotor (R)
con su eje magnético (E-F) en una posición dada
actuando en los conmutadores estáticos (23, 24); medios para
aplicar, por medio de los conmutadores estáticos (23, 24), pulsos
eléctricos de voltaje o corriente al motor para su arranque inicial
en una dirección definida, y medios para sincronizar el rotor (R) y
mantenerlo sincronizado por medio de los conmutadores estáticos (23,
24) en base a sus señales de posición obtenidas midiendo dos
cantidades eléctricas representadas por el voltaje de alimentación
(25) del motor (1) y el voltaje (70, 71) en los conmutadores
estáticos (23, 24).
6. Un dispositivo según se reivindica en la
reivindicación 5, incluyendo medios que actúan en los conmutadores
estáticos para hacer que el rotor gire a una velocidad inferior
antes de su sincronización final.
7. Un dispositivo según se reivindica en la
reivindicación 5 o en las reivindicaciones 5 y 6, donde dichos
medios que operan en los conmutadores estáticos se incluyen en o
incluyen un microprocesador.
8. Un dispositivo según se reivindica en la
reivindicación 5, donde el circuito electrónico mide el voltaje
inducido en los devanados por el rotor mientras funciona.
9. Un dispositivo según se reivindica en la
reivindicación 5 o en las reivindicaciones 5 y 8, donde el circuito
electrónico efectúa la medición con los conmutadores estáticos
"abiertos".
10. Un dispositivo como se reivindica en al menos
una de las reivindicaciones 5 a 9, donde el circuito electrónico
incluye un microprocesador.
11. Una bomba de circulación para lavavajillas
operada por el dispositivo de la reivindicación 5 y por el método de
la reivindicación 1.
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