DE10136482B4 - Elektronisch kommutierter Gleichstrommotor - Google Patents

Abstract

Elektronisch kommutierter Gleichstrommotor (1), mit einem Permanentmagnetrotor (2), einem mit einer Erregerwicklung (3) bewickelten Stator (4), zumindest einem Hallsensor (5) und einer Kommutierungselektronik (6), wobei in einem Drehzahlbereich ein nahezu optimaler Wirkungsgrad erzielbar ist, der weitgehend von der Drehrichtung unabhängig ist, indem der Hallsensor (5) von den Magnetfeldern zumindest eines rotorfesten Permanentmagneten (7) und einer statorfesten Spule (8) beeinflusst wird und der wirksame Bereich des Hallsensors (5) in einem Bereich, in dem das magnetische Feld der Spule (8) inhomogen ist und außerhalb eines Streuflussbereichs der Spule (8) angeordnet ist, wobei der Hallsensor (5) mit der Kommutierungselektronik (6) elektrisch verbunden ist.

Description

• Die Erfindung betrifft einen elektronisch kommutierter Gleichstrommotor, mit einem Permanentmagnetrotor, einem mit einer Erregerwicklung bewickelten Stator, zumindest einem Hallsensor und einer Kommutierungselektronik.
• Bei einem bekannten elektronisch kommutierten Gleichstrommotor der genannten Gattung ist der Hallsensor zwischen zwei Statorpolen und dem gegenüberliegenden Permanentmagnetrotor angeordnet. Wie in der DE 34 32 372 C2 beschrieben ergibt sich hierdurch das Problem, dass die magnetfeldempfindlichen Lagemeldesensoren durch das Feld der Statorwicklungen beeinflusst werden, indem die Kommutierungszeitpunkte in unerwünschter Weise aus der vorgesehenen optimalen Lage heraus verschoben werden und dies um so mehr, je höher der Wicklungsstrom ist. Dieses Problem betrifft Gleichstrommotoren, die auf eine bestimmte Drehzahl ausgelegt sind, und Gleichstrommotoren mit einem großen Drehzahlbereich in unterschiedlicher Weise. Bei Gleichstrommotoren, die mit gleichbleibender Last und Drehzahl betrieben werden, wie es in der Regel bei vielen Lüfteranwendungen der Fall ist, kann der Hallsensor wie bekannt in der Pollücke angeordnet werden. Gleichstrommotoren, die Drehzahl- und Lastwechseln unterworfen sind, würden bei dieser Anordnung des Hallsensors oder der Hallsensoren, je nach Drehzahl oder Last deutlich unterschiedliche Wirkungsgrade aufweisen.
• In der DE 34 32 372 C2 wird vorgeschlagen, dass die Lagemeldesensoren in Statorumfangsrichtung mit Bezug auf die Statorwicklungsstränge derart verteilt angeordnet sind, dass jeweils derjenige Lagemeldesensor, welcher die Kommutierung des Wicklungsstromes von einem Wicklungsstrang zum nächsten bewirkt, in dem Statorbereich angebracht ist, in dem weder vor noch nach dem Kommutierungsvorgang eine stromdurchflossene Spule liegt. Eine solche Lösung ist jedoch bei vergleichbaren Eigenschaften nur mit entsprechend vergrößertem Volumen und Gewicht des Gleichstrommotors möglich.
• In gewissen Maßen ist eine Verschiebung des Kommutierungszeitpunktes in die richtige Richtung sogar erwünscht. Die Streufeldüberlagerung in den Pollücken bewirkt aber in der Regel eine zu große Verschiebung, so dass der Wirkungsgrad sich wiederum vom jeweiligen Optimum entfernt.
• Aus der DE-AS 2 020 780 ist ein elektronisch kommutierter Gleichstrommotor, mit einem Permanentmagnetrotor, einem mit einer Erregerwicklung bewickelten Stator, einem Hallsensor und einer Kommutierungselektronik bekannt, wobei der Hallsensor in der Mitte des Polschuhs eines Polzahnes und damit im Magnetfeld der Spule außerhalb deren Streufeldes angeordnet ist. Bei dieser Anordnung ist die Polform von der Größe und Anordnung des Hallsensors abhängig. Dies beeinträchtigt die Designfreiheit und den Motorwirkungsgrad.
• Bei der DE 197 37 702 A1 ist der Hallsensor im Bereich eines Wickelkopfs in einer Ausnehmung eines den Wickelkopf tragenden Abstützung angeordnet.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor bereitzustellen, bei dem in einem Drehzahlbereich auf einfache Weise ein nahezu optimaler Wirkungsgrad erzielbar ist, ohne dafür Baugröße und Gewicht zu vergrößern. Weiter soll der Wirkungsgrad von der Drehrichtung weitgehend unabhängig sein.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Hallsensor 5 von den Magnetfeldern zumindest eines rotorfesten Permanentmagneten 7 und einer statorfesten Spule 8 beeinflusst wird und der wirksame Bereich des Hallsensors 5 in einem Bereich, in dem das magnetische Feld der Spule 8 inhomogen ist und außerhalb eines Streuflussbereichs der Spule 8 angeordnet ist, wobei der Hallsensor 5 mit der Kommutierungselektronik 6 elektrisch verbunden ist. Die Anordnung des Hallsensors in einem inhomogenen Feldbereich ist vorteilhaft, weil dadurch eine geringe Verschiebung des Kommutierungszeitpunktes erreichbar ist, dabei genügt ein geringer Abstand Δx des Hallsensors zum neutralen Bereich des Spulenfeldes.
• Durch die Einwirkung des Statormagnetfelds auf den Hallsensor ist eine Abhängigkeit des Kommutierungszeitpunkts von der Stromstärke gegeben, weil bei einer Überlagerung von Permanentmagnetfeld und Spulenmagnetfeld zwangsläufig eine Abhängigkeit des durch den Hallsensor verlaufenden resultierenden Feldes von der Spulenstromstärke ergibt. Bei gleicher Feldrichtung wird die Steigung größer, bei gegensinniger Feldrichtung verringert sie sich. Der Kommutierungszeitpunkt wird dabei verschoben, weil von der Steigung der Kurve B(t) des resultierendes Feldes im Nulldurchgang die Zeit zwischen dem Nulldurchgang bis zur Erreichung einer Schaltschwelle abhängt. Digitale Hallsensoren reagieren erst nach Erreichen dieser vom Magnetfeld abhängigen Schaltschwelle.
• Das Feld von stromdurchflossenen Spulen ist im Spuleninneren homogen in eine Richtung gerichtet, außerhalb der Spule divergierend und entgegengesetzt gerichtet und dazwischen, im Bereich eines Leiterbündels, verringert sich das Feld bis auf Null, wechselt das Vorzeichen und steigt stetig wieder an. Durch den außerhalb eines Streuflussbereichs der Erregerwicklung angeordneten wirksamen Bereich des Hallsensors, ist die Verschiebung des Kommutierungszeitpunktes nur begrenzt von einer der Spulen der Erregerwicklung abhängig.
• Weiterbildungen und bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den Unteransprüchen dargestellt.
• In einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist die mit dem Hallsensor wechselwirkende Spule Bestandteil der Erregerwicklung, dadurch sind keine zusätzliche Teile und kein zusätzlicher Montageaufwand erforderlich. Zweckmäßigerweise ist der Hallsensor zwischen der Spule und dem Permanentmagneten angeordnet. Um, ohne den Luftspalt zu vergrößern, Raum für den Hallsensor zu schaffen, ist eine Aussparung in einer Isolierung der Erregerwicklung vorgesehen, in der der Hallsensor untergebracht ist.
• Vorzugsweise ist der Hallsensor im Bereich eines Wickelkopfs angeordnet. Dort ist eine Aussparung in einer den Wickelkopf tragenden Abstützung zur Aufnahme des Hallsensors vorgesehen.
• Der Hallsensor ist in einem Bereich zwischen dem Rand und der Mitte der Spule angeordnet. In diesem Bereich ist das magnetische Feld der Spule inhomogon. Da nur eine geringe Verschiebung des Kommutierungszeitpunkts notwendig ist, sollte der Hallsensor in einem entsprechend geringen Abstand Δx zum neutralen Bereich des Spulenfeldes angeordnet werden.
• Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist eine zusätzliche Spule vorgesehen, die nicht zur Erregung des Statorfelds dient und in Reihe oder parallel zu einer der Spulen der Erregerwicklung geschaltet ist. Auf diese Weise ändert sich das Feld der zusätzlichen Spule mit dem Feld der entsprechenden Spule der Erregerwicklung. Die Verwendung einer zusätzlichen Spule ermöglicht eine noch genauere Einstellung des Kommutierungszeitpunkts, weil die geometrischen Verhältnisse des Sensorbereichs hier unabhängig vom Leistungsbereich optimiert werden können. Auch bei schwierigen Einbauverhältnissen kann die zweite Ausführungsform günstiger sein.
• Bei Verwendung einer Zusatzspule kann der Permanentmagnet Bestandteil des ein Arbeitsmagnetfeld erzeugenden Rotormagneten sein. Es kann aber auch günstiger sein, einen Zusatzmagneten, ggf. in Polradausführung zu verwenden. Die Zusatzspule, der Zusatzmagnet und der Hallsensor sollten außerhalb des Einflusses der Erregerwicklung angeordnet sein und einen zusätzlichen Magnetkreis bilden, der durch ein zusätzliches Rückschlusselement geschlossen wird.
• Die Genauigkeit des Kommutierungszeitpunkts und dessen Verschiebung lässt sich besonders durch Verwendung einer flachen, z.B. spiralförmigen Luftspule, verbessern. Diese sollte sich über einen möglichst großen Flächenbereich erstrecken, damit sich ein möglichst flacher Feldstärkegradient ergibt.
• Die Zusatzspule kann beispielsweise als Planspule oder Teilzylinderringspule ausgeführt sein. Bei Verwendung einer Planspule, kann diese aus einer Leiterplatte bestehen, insbesondere in Form eines Leitblechs oder einer Platine. Dies ermöglichst eine einfache und präzise Herstellbarkeit der Zusatzspule.
• In einer weiteren Variante des zweiten Ausführungsbeispiels besteht die Zusatzspule aus demselben Wickeldraht, wie eine Spule der Erregerwicklung. Dadurch lässt sich die Zusatzspule in einer Aufspannung und in derselben Maschine, in der die Erregerwicklung hergestellt wird, fertigen.
• Unabhängig von der Ausführungsform ist eine Verschiebung des Kommutierungszeitpunkts insbesondere dann möglich, wenn die Richtungen der Magnetfeldlinien des Permanentmagnetfelds und des Spulenfelds im Hallsensor antiparallel sind. In diesem Fall wird das Feld geschwächt und es dauert länger, bis die Schaltschwelle erreicht ist.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
• 1 eine vereinfachte Darstellung eines Elektromotors nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
• 2 eine schematische Darstellung der Position eines Hallsensors in Bezug auf eine Spule,
• 3 ein vereinfacht dargestellter Magnetisierungsverlauf einer bestromten Spule,
• 4 eine vereinfachte Schnittansicht mit einem Anordnungsbeispiel für den Hallsensor nach dem ersten Ausführungsbeispiel und
• 5 eine vereinfachte Darstellung eine Elektromotors nach einem zweiten Ausführungsbeispiel.
• 1 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Elektromotors 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiels, mit einem Permanentmagnetrotor 2, einer Erregerwicklung 3, einem Hallelement 5 und einer Kommutierungselektronik 6, wobei die Erregerwicklung 3 eine Spule 8 umfasst, die zusammen mit dem Permanentmagnetrotor 2 einen Bereich eines Luftspalts 19 begrenzt, in dem der Hallsensor 5 angeordnet ist.
• Wie 2 verdeutlicht, befindet sich der Hallsensor 5 in einem Bereich der Spule 8, der von in gleicher Richtung bestrombaren Windungsabschnitten überdeckt wird. Die Lage ist so gewählt, dass sich der magnetisch empfindliche Teil des Hallsensors 5 in der Nähe (Abstand Δx) einer magnetisch neutralen Linie 17 der Spule 8 befindet. Die Linie 17, deren Lage von der Spulengeometrie abhängt, ist in sich geschlossen und verläuft innerhalb eines die Spule 8 bildenden Windungsbündels. Im magnetischen Kreis ist die neutrale Linie verzerrt. Der Hallsensor 5 ist vorzugsweise im Bereich eines Wickelkopfs angeordnet, wie 2 zeigt, wobei er nahe an der Kommutierungselektronik liegend einfach mit dieser verbindbar ist.
• 3 korrespondiert mit 2 und stellt qualitativ den Magnetisierungsverlauf der Spule dar, ohne Berücksichtigung der Motorgeometrie. Wie aus den 2 und 3 erkennbar, ist der Hallsensor 5 etwas von der neutralen Line 17 entfernt und zwar gerade soweit, dass ein optimaler Verschiebungsfaktor für den Kommutierungszeitpunkt bei höherem Spulenstrom gegeben ist. Würde ein vom Spulenstrom völlig unabhängiger Kommutierungszeitpunkt erwünscht, wäre die Anordnung des Hallsensors genau unter der neutralen Linie optimal.
• 4 zeigt eine Möglichkeit den Hallsensor 5 anzuordnen, wobei in einer als Statorisolierendscheibe ausgebildeten Isolierung 10, insbesondere im Bereich einer Abstützung 13 für den Wickelkopf 12, eine Ausnehmung 11 vorgesehen ist, in die der Hallsensor 5 hineinragt. Dieser ist dabei mit einer Kommutierungselektronik verbunden, die vorzugsweise von einer Leiterplatte 18 getragen wird. Bei dieser Anordnung des Hallsensors 5, ist keine Veränderung des Luftspalts 19 zwischen dem Permanentmagnetrotor 2 und der Erregerwicklung 3 bzw. Statorpolkernen 15 nötig.
• Eine zweite Ausführungsform eines Elektromotors 1 nach der Erfindung ist in 5 dargestellt, darin ist eine Zusatzspule 8', ein Zusatzmagnet 7' und ein Rückschlusselement 16 vorgesehen, die einen eigenen magnetischen Kreis zur Erkennung der Rotorstellung bilden. Die Geometrie der Zusatzspule 8' kann hier unabhängig von einer Erregerwicklung 3 an die Erfordernisse einer optimalen Verschiebung des Kommutierungszeitpunkts bei höherem Spulenstrom angepasst werden. Optimal bedeutet u. a. eine gewisse Toleranzunempfindlichkeit in Bezug auf die Einbaulage eines Hallsensors 5 zu gewährleisten. Die Tolerenzunempfindlichkeit verbessert sich, indem die Neigung der Kurve aus 3 im Bereich unterhalb der Spulenwindungen möglichst flach verläuft. Dies kann durch eine zweidimensional ausgedehnte aber flache (kurze) Spule erreicht werden. Dies gilt generell, auch für die Form der Spule 8 der Erregerwicklung nach dem ersten Ausführungsbeispiel. Es ist auch denkbar, die Verteilung der Feldlinien der Spule 8' durch Flussleiter entsprechend zu optimieren. Weiter zeigt der Elektromotor 1 aus 5 eine Rotorwelle 20 eines Permanentmagnetrotors 7, die in einem Gehäuse 14 gelagert ist.
• Grundsätzlich gelten die genannten Verhältnisse auch bei Motoren mit mehreren Hallsensoren.

1

elektronisch kommutierter Gleichstrommotor

2

Permanentmagnetrotor

3

Erregerwicklung

4

Stator

5

Hallsensor

6

Kommutierungselektronik

7, 7'

Permanentmagnet

8

Spule

8'

Zusatzspule

9

Aussparung

10

Isolierung

11

Aussparung

12

Wickelkopf

13

Abstützung

14

Gehäuse

15

Statorpolkern

16

Rückschlusselement

17

neutrale Linie

18

Leiterplatte

19

Luftspalt

Claims (23)

1. Elektronisch kommutierter Gleichstrommotor (1), mit einem Permanentmagnetrotor (2), einem mit einer Erregerwicklung (3) bewickelten Stator (4), zumindest einem Hallsensor (5) und einer Kommutierungselektronik (6), wobei in einem Drehzahlbereich ein nahezu optimaler Wirkungsgrad erzielbar ist, der weitgehend von der Drehrichtung unabhängig ist, indem der Hallsensor (5) von den Magnetfeldern zumindest eines rotorfesten Permanentmagneten (7) und einer statorfesten Spule (8) beeinflusst wird und der wirksame Bereich des Hallsensors (5) in einem Bereich, in dem das magnetische Feld der Spule (8) inhomogen ist und außerhalb eines Streuflussbereichs der Spule (8) angeordnet ist, wobei der Hallsensor (5) mit der Kommutierungselektronik (6) elektrisch verbunden ist.
2. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (8) Bestandteil der Erregerwicklung (3) ist.
3. Gleichstrommotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hallsensor (5) zwischen der Spule (8) und dem Permanentmagneten (7) angeordnet ist.
4. Gleichstrommotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hallsensor (5) in einer Aussparung (9) einer Isolierung (10) für die Erregerwicklung (3) angeordnet ist.
5. Gleichstrommotor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hallsensor (5) im Bereich eines Wickelkopfs (12) angeordnet ist.
6. Gleichstrommotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hallsensor (5) in einer Aussparung (11) einer den Wickelkopf (12) tragenden Abstützung (13) angeordnet ist.
7. Gleichstrommotor nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hallsensor (5) in einem Bereich zwischen dem Rand und der Mitte der Spule (8) angeordnet ist.
8. Gleichstrommotor nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule eine zusätzliche nicht zur Erregerwicklung (3) gehörende Zusatzspule (8') ist, die in Reihe oder parallel zu einer der Spulen der Erregerwicklung (3) geschaltet ist.
9. Gleichstrommotor nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (7) Bestandteil des ein Arbeitsmagnetfeld erzeugenden Permanentmagnetrotors ist.
10. Gleichstrommotor nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet ein Zusatzmagnet (7') ist.
11. Gleichstrommotor nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (7') ein permanentmagnetisches Polrad ist.
12. Gleichstrommotor nach Anspruch 8, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzspule (8'), der Zusatzmagnet (7') und der Hallsensor außerhalb des Einflusses der Erregerwicklung (3) angeordnet sind.
13. Gleichstrommotor nach Anspruch 8, 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzliches Rückschlusselement (16) einen Magnetkreis durch die Zusatzspule (8'), den Hallsensor (5) und den Zusatzmagneten (7') schließt.
14. Gleichstrommotor nach Anspruch 8, 10, 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzspule (8') als Luftspule ausgebildet ist.
15. Gleichstrommotor nach Anspruch 8, 10, 11, 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzspule (8') im wesentlichen spiralförmig ausgebildet ist.
16. Gleichstrommotor nach zumindest einem der Ansprüche 8, 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in gleicher Richtung bestrombare Windungen der Zusatzspule (8') den Hallsensor (5) vollständig überdecken.
17. Gleichstrommotor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungen einen Flächenbereich rund um den Hallsensor überdecken, der deutlich größer ist als die Fläche des Hallsensors.
18. Gleichstrommotor nach zumindest einem der Ansprüche 8, 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzspule (8') eine Planspule oder eine Teilzylinderringspule ist.
19. Gleichstrommotor nach zumindest einem der Ansprüche 8, 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzspule (8') aus einer Leiterplatte besteht, insbesondere in Form eines Leitblechs oder einer Platine.
20. Gleichstrommotor nach zumindest einem der Ansprüche 8, 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzspule (8') aus demselben Wickeldraht besteht, wie eine Spule der Erregerwicklung (3).
21. Gleichstrommotor nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtungen der Magnetfeldlinien des Permanentmagnetfelds und des Spulenfelds im Hallsensor antiparallel sind.
22. Gleichstrommotor nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerwicklung (3) aus vier diskreten um jeweils einen Polzahn gewickelten Einzelspulen besteht.
23. Verfahren zur Herstellung eines Gleichstrommotors nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Zusatzspule (8') vor, während oder nach dem Bewicklungsprozess zur Herstellung der Erregerwicklung mitgewickelt wird.