DE10127670A1

DE10127670A1 - Bürstenloser dreiphasiger Elektromotor und Verfahren zu dessen Ansteuerung

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Publication number: DE10127670A1
Application number: DE10127670A
Authority: DE
Inventors: Pietro De Filippis; Harald Redelberger; Stefan Zick
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2001-06-07
Filing date: 2001-06-07
Publication date: 2002-09-12

Abstract

Bei dem Verfahren wird Blockkommutierung verwendet. Der Elektromotor wird derart angesteuert, dass der Kommutierungswinkel kleiner als 180 DEG und größer als 120 DEG ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen bürstenlosen dreiphasigen Elekt romotor und ein Verfahren zu dessen Ansteuerung.

Üblicherweise weist ein bürstenloser Motor einen Rotor mit Permanentmagneten und eine dreiphasige Wicklung auf, die den festen Stator bildet. Wird die Wicklung geeignet bestromt, erzeugt sie ein lageabhängiges Magnetfeld, nach dem sich die Permanentmagnete ausrichten. Eine kontinuierliche Drehbewe gung des Rotors wird erzielt, indem mittels Sensoren die Drehstellung des Rotors gemessen wird, und das Ergebnis über elektrische Schalter die Wicklungen so weiterschaltet, dass im Stator ein Drehfeld entsteht, dem der Rotor folgt. Zur Schaltung der Phasen, d. h. bei Ansteuerung des Motors, wird für jede Phase ein Sensor eingesetzt. Aufgrund der Sensoren kommutiert sich der Motor selbst. Der Rotor dreht sich syn chron mit dem Statordrehfeld.

Das einfachste bekannte Verfahren zur Ansteuerung eines bürs tenlosen Motors verwendet die sogenannte Blockkommutierung, bei der die Phasen mit sich abrupt ändernden Ansteuerspannun gen beaufschlagt werden. Im "Handbuch der elektrischen Anla gen und Maschinen", E. Hering et al., Springer Verlag, Seiten 204 bis 206, wird die Blockkommutierung anhand eines dreipha sigen Motors näher erläutert. Die drei Phasen bilden eine Sternschaltung, bei der erste Enden der Phasen galvanisch miteinander verbunden sind. Zweite Enden der Phasen sind mit einer Steuerschaltung verbunden, die sechs Leistungsschalter aufweist. Jeweils zwei Leistungsschalter sind zwischen zwei Spannungspolen in Reihe geschaltet. Zwischen jeweils einem in Reihe geschalteten Leistungsschalterpaar befindet sich ein Knotenpunkt, der mit dem zweiten Ende eines der Phasen ver bunden ist. Die Phasen werden so angesteuert, dass ein Strom immer durch zwei Phasen fließt, während eine Phase stromlos bleibt. Die Wicklung des Stators ist derart, dass der Rotor während einer Umdrehung alle drei Phasen nur einmal passiert, so dass die zeitliche Dauer einer elektrischen Welle einer Phase mit der zeitlichen Dauer einer mechanischen Welle, d. h. einer Umdrehung des Rotors, übereinstimmt. Aufeinanderfol gende elektrische Wellen von aufeinanderfolgenden Phasen wei sen einen Abstand von 120° auf, wobei 360° sich auf eine vol le elektrische Welle bezieht. Der Kommutierungswinkel, d. h. der Winkel bezüglich der vollen elektrischen Welle während dem eine Phase bestromt ist, beträgt 120°. Während 60° jeder elektrischen Halbwelle ist die Phase nicht bestromt. Nach je weils 60° wird der Strom auf das nächste Phasenpaar weiterge schaltet.

Der resultierende Verlauf des Drehmoments, das auf den Rotor wirkt, ist nicht glatt, d. h. es liegt eine ausgeprägte Dreh momentenwelligkeit vor. Ferner wird bei einem solchen Ansteu erverfahren die durch den Rotor in den Phasen induzierte Spannung, d. h. elektromotorische Kraft (EMK), nicht gut aus genutzt. Der Wirkungsgrad ist folglich nicht optimal.

Ein höherer Wirkungsgrad und eine geringere Drehmomentenwel ligkeit kann erzielt werden, indem die Phasen mit sinusförmi gen Ansteuerspannungen beaufschlagt werden. Mit einer solchen Sinuskommutierung wird die im wesentlichen sinusförmige EMK wesentliche besser ausgenutzt, wodurch der Wirkungsgrad des Motors erhöht wird. Da keine abrupten Änderungen der Ansteu erspannung vorliegen, ist die Drehmomentenwelligkeit gerin ger. Die Sinuskommutierung hat jedoch den wesentlichen Nach teil, dass sie nur mit hohem Aufwand und nur schwer bei hohen Drehzahlen erzeugt werden kann. Üblicherweise wird die Si nuskommutierung durch Pulsweitenmodulation (PWM) erzeugt, bei der die Sinusform der Ansteuerspannung dadurch erzeugt wird, dass sie in zeitlich gleichlange Abschnitte zerlegt wird, während denen jeweils nur in einem Teilabschnitt eine kon stante Spannung erzeugt wird, und wobei die zeitliche Länge des Teilabschnitts mit zunehmender Höhe der zu erzeugenden Sinusspannung anwächst. Es ist offensichtlich, dass aufgrund der feinen zeitlichen Zergliederung der Sinuswelle der Motor bei hohen Drehzahlen nur mit großem Aufwand mit Sinuskommu tierung angesteuert werden kann. Darüber hinaus erfordert die Sinuskommutierung eine teuere Erzeugungstechnik mit zusätzli chen Filterelementen bei maximaler Leistungsabgabe. Auch die Einstellung des Verlaufs des Phasenstroms gegenüber der EMK erfordert eine komplizierte Steuerung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ansteuerung eines bürstenlosen dreiphasigen Elektromotors an zugeben, das mit nur geringem Aufwand eine niedrige Drehmo mentenwelligkeit erzeugt. Ferner soll ein bürstenloser Elekt romotor angegeben werden, der mit dem Verfahren angesteuert werden kann.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Ansteuerung eines bürstenlosen dreiphasigen Elektromotors, bei dem die Blockkommutierung verwendet wird, und bei dem der Elektromo tor derart angesteuert wird, dass der Kommutierungswinkel kleiner als 180° und größer als 120° ist.

Ferner wird die Aufgabe gelöst durch einen bürstenlosen drei phasigen Elektromotor, der derart eingerichtet ist, dass das oben genannte Verfahren zu seiner Ansteuerung angewendet wer den kann.

Da Blockkommutierung verwendet wird, die ohne während der Halbwelle variabler PWM erzeugt werden kann, erfordert das Verfahren nur einen geringen Aufwand.

Da der Kommutierungswinkel kleiner als 180° und größer als 120° ist, und der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden elektrischen Wellen zweier Phasen 120° beträgt, ist die Zahl der Phasen, durch die ein Strom fließt über den Zeitraum ei ner elektrischen Welle nicht konstant. Dies hat eine Auswir kung auf den Stromverlauf in den Phasen. Denn da die Phasen galvanisch verknüpft sind und die Höhe des Spannungsabfalls zwischen dem positiven und dem negativen Pol, mit denen die Phasen verbunden sind, konstant bleibt, nimmt die Stromstärke durch eine Phase nicht nur die Werte 0 oder einen Maximalwert an, sondern auch zwei dazwischenliegende Werte an. Der Strom verlauf einer Phase ist treppenförmig. Durch Blockkommutie rung mit einem solchen Kommutierungswinkel kann also die Form des Stroms auf einfache Weise an die Sinusform angenähert werden, wodurch die Drehmomentenwelligkeit sinkt und der Wir kungsgrad des Motors erhöht wird. Der Effekt der Annäherung an die Sinusform wird im folgenden anhand eines dreiphasigen Motors mit 150° Kommutierungswinkel und anhand der Fig. 1a und 1b näher erläutert, wobei der Einfachheit halber Indukti vitäten, die EMK und etwaige Freilaufeffekte nicht berück sichtigt werden.

Fig. 1a zeigt den Verlauf der Phasenspannungen der drei Pha sen, d. h. des Spannungsabfalls an den Phasen, während den 360° einer vollen elektrischen Welle. Die Höhe und die Form der Phasenspannungen in Fig. 1a sind jedoch ohne Bedeutung. Es soll lediglich dargestellt werden, wann an welcher Phase ein positiver oder negativer Spannungsabfall vorliegt oder nicht. Der Kommutierungswinkel ist zentrisch um 90° bzw. um 270° angeordnet. Es läßt sich erkennen, dass zwischen 0° und 15° die zweite Phase mit einer negativen Phasenspannung und die dritte Phase mit einer positiven Phasenspannung beauf schlagt sind. Der Strom fließt durch diese beiden Phasen, nicht aber durch die erste Phase. Zwischen 15° und 45° sind die erste Phase und die dritte Phase mit einer positiven Pha senspannung beaufschlagt, während die zweite Phase mit einer negativen Phasenspannung beaufschlagt ist. Der volle Strom fließt also durch die zweite Phase und verzweigt sich dann in die erste Phase und die dritte Phase. Beträgt der Widerstand einer Phase R und beträgt der Spannungsabfall zwischen dem positiven Pol und dem negativen Pol U, so berechnet sich bei Sternschaltung der Phasen oder einer dazu gleichwertigen Schaltung der Strom durch die erste Phase zu

Zwischen 45° und 75° sind die erste Phase mit einer positiven Phasenspannung und die zweite Phase mit einer negativen Pha senspannung beaufschlagt. Durch die dritte Phase fließt kein Strom. Der Strom durch die erste Phase berechnet sich zu

Zwischen 75° und 105° ist die erste Phase mit einer positiven Phasenspannung beaufschlagt, während die zweite Phase und die dritte Phase mit einer negativen Phasenspannung beaufschlagt sind. Durch die erste Phase fließt also der volle Strom, wäh rend durch die zweite Phase und die dritte Phase nur der hal be Strom fließt. Der Strom durch die erste Phase berechnet sich zu

So läßt sich zu jedem Zeitpunkt bestimmen, wieviel Strom durch die Phasen fließt.

Fig. 1b zeigt den Verlauf des Stroms in der ersten Phase. Durch die zusätzlichen Stufen im Stromverlauf bei 45°, 75°, 105°, 135°, 225°, 255°, 285°, 315° ähnelt der Stromverlauf deutlich mehr einer Sinuskurve als bei Blockkommutierung mit einem Kommutierungswinkel von 120°, bei der diese zusätzli chen Stufen nicht vorhanden sind.

Hinzu kommt, dass aufgrund der Induktivitäten der Phasen die Stufen verwaschen. Es ist folglich vorteilhaft, wenn die Pha sen eine möglichst hohe Induktivität aufweisen.

Das Vorsehen eines Kommutierungswinkels kleiner 180° führt zu weiteren Vorteilen. Zum Einen ist dadurch gewährleistet, dass eine Steuerschaltung zur Ansteuerung des Motors immer im Stromnullpunkt der jeweiligen Phase von der positiven Halb welle zur negativen Halbwelle der Phase und umgekehrt schal tet, da aufgrund des kleineren Kommutierungswinkels die Zeit spanne, während der durch die Phase kein Strom fließt, ver größert wird. Dies hat geringere Schaltverluste zur Folge. Ferner wird die Wahrscheinlichkeit von Kurzschlüssen zwischen Halbbrücken der Steuerschaltung verringert.

Um auf Sensoren, die die Lage des Rotors erfassen, ganz oder teilweise verzichten zu können und trotzdem die Ansteuerung der Phasen auf die Lage des Rotors abstimmen zu können, ist es vorteilhaft, einen Algorithmus vorzusehen, nach dem die Phasen angesteuert werden.

Dazu ist es vorteilhaft m zeitlich gleich lange und zeitlich aufeinanderfolgende Zustände festzulegen, wobei m eine natür liche Zahl ist. Für jeden Zustand ist festgelegt, welche Pha sen mit einer positiven oder negativen Phasenspannung beauf schlagt sind, und welche Phasen nicht mit einer Phasenspan nung beaufschlagt sind, d. h. offen sind. Der Elektromotor wird gemäß dem aktuellen Zustand angesteuert.

Ist der Beginn des ersten Zustandes auf die Drehstellung des Rotors abgestimmt, so ist aufgrund des Algorithmus, der aus den m aufeinander folgenden Zuständen besteht, eine erneute Bestimmung der Lage des Rotors mittels Sensoren zur Abstim mung des Beginns der übrigen m-1 Zustände nicht erforderlich. Insbesondere ist es nicht erforderlich jede Phase einzeln auf die Lage des Rotors abzustimmen.

Dazu legen die m Zustände den Verlauf einer ganzen elektri schen Welle fest. Dies bedeutet, dass die zeitliche Dauer der Gesamtheit der m Zustände

beträgt, wenn der Elektromotor p Polpaare aufweist. Die zeit liche Dauer eines Zustandes beträgt folglich

Damit der Algorithmus auf die Lage des Rotors in jedem Zu stand abgestimmt ist, wird die zeitliche Dauer der Zustände aus der aktuellen Drehzahl des Elektromotors bestimmt. Die Drehzahl des Motors kann immer wieder gemessen werden, um den Algorithmus an die aktuelle Drehzahl anzupassen. Der Abstand zwischen Messungen der Drehzahl kann umso größer sein, je schwächer die Dynamik des Rotors ausgeprägt ist, d. h., je langsamer sich die Drehzahl des Rotors allgemein ändert. Dies ist beispielsweise der Fall bei Motoren für einen Pumpen- oder Lüfterantrieb.

Um den Algorithmus an die Lage des Rotors möglichst gut anzu passen, ist es vorteilhaft, wenn nicht exakt nach Ablauf des letzten Zustandes von neuem mit dem ersten Zustand begonnen wird, sondern wenn die Lage des Rotors regelmäßig bestimmt wird und der Beginn des ersten Zustandes auf die bestimmte Lage des Rotors abgestimmt wird. In diesem Fall beginnt der erste Zustand lediglich "etwa" nach Ablauf des letzten Zu standes.

Es genügt für die Erfassung der Lage des Rotors ein einziger Sensor.

Alternativ wird die EMK an einer Phase, die gerade nicht bestromt wird, gemessen, wobei eine bestimmte Drehstellung des Rotors erkannt wird, wenn die gemessene EMK einen be stimmten Schwellwert durchläuft, der abhängig ist vom Abstand zwischen dem Einsetzen der EMK und dem Einsetzen der Phasen spannung einer Phase. Durch dieses Verfahren kann die Lage des Rotors sensorlos bestimmt werden.

Damit durch den Algorithmus die positive und die negative Halbwelle einer Phase symmetrisch erzeugt werden können, ist es erforderlich, dass ein ganzzahliges Vielfaches von 360°/180°, d. h. 2, m ergibt.

Damit durch den Algorithmus jede der drei um 120° versetzte Phasen angesteuert werden können, ist es erforderlich, dass ein ganzzahliges Vielfaches von 360°/120°, d. h. 3, m ergibt. Damit durch den Algorithmus der Kommutierungswinkel einer Phase realisiert werden kann, ist es erforderlich, dass ein ganzzahliges Vielfaches von 360°/Kommutierungswinkel m er gibt.

Ein besonders einfacher Algorithmus lässt sich erzielen, wenn der Kommutierungswinkel 150° beträgt und m = 12 Zustände fest gelegt werden. Es liegt jedoch im Rahmen der Erfindung, mehr als zwölf Zustände, z. B. 18 Zustände festzulegen. In diesem Fall muss der Kommutierungswinkel anders gewählt werden.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, eine erste der Phasen ab dem ersten Zustand während dem gesamten Kommutierungswinkel und ab dem siebten Zustand während dem gesamten Kommutie rungswinkel mit einer Phasenspannung ungleich 0 zu beauf schlagen. Sind z. B. zwölf Zustände festgelegt, so fließt durch die erste Phase im sechsten Zustand und im zwölften Zu stand kein Strom. Diese Zustände können z. B. dazu benutzt werden, sensorlos die Lage des Rotors aus einer EMK-Messung zu bestimmen.

Beispielsweise kann zumindest in einem mittleren Drehzahlbe reich des Elektromotors der Beginn des ersten Zustandes der art auf die Position des Rotors abgestimmt werden, dass der Beginn des ersten Zustands im wesentlichen zusammenfällt mit dem Beginn der elektrischen Welle, der durch den Rotor in der ersten Phase induzierten EMK.

Da bei hohen Drehzahlen die Induktivität der Phasen Stromän derungen in den Phasen stärker entgegenwirkt, ist es vorteil haft, zumindest in einem oberen Drehzahlbereich des Elektro motors den Beginn des ersten Zustandes derart auf die Positi on des Rotors abzustimmen, dass der erste Zustand bezogen auf die elektrische Welle der durch den Rotor in der ersten Phase induzierten EMK umso früher beginnt, je höher die Drehzahl des Elektromotors sein soll. Es ist also bei niedrigeren ho hen Drehzahlen beispielsweise zunächst eine Nachkommutierung und bei höheren Drehzahlen eine Vorkommutierung vorgesehen.

Bei niedrigen und/oder mittleren Drehzahlen ist es möglich, die Spannung der Blockkommutierung durch Pulsweitenmodulation zu bestimmen. Dies entspricht einer Variation der Ansteuer spannung, die die Drehzahl des Motors bestimmt. Da bei hohen Drehzahlen keine Pulsweitenmodulation verwendet wird, werden Verluste aufgrund vieler Schaltvorgänge, die die PWM erfor dert, vermieden. Die Wärmeerzeugung in den Schaltern wird in folgedessen gesenkt, so dass ein geringerer Aufwand für eine Wärmeabfuhr erforderlich ist, als bei Verwendung der PWM. Da durch kann der Motor kompakt bauend ausgestaltet sein. Auch der Aufwand in der Filterschaltung für elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) kann dadurch verringert werden.

Um die Batteriestromwelligkeit im niedrigen Drehzahlbereich zu verringern, wird der Motor in diesem Drehzahlbereich mit einem Kommutierungswinkel von 120° betrieben, da sich die In duktivitäten der Phasen bei niedrigen Drehzahlen schwächer auswirken. Ferner ist bei niedrigen Drehzahlen der Kommutie rungswinkel vorzugsweise symmetrisch um 90° der elektrischen Welle der durch den Rotor in der jeweiligen Phase induzierten elektromotorischen Kraft angeordnet.

Da das auf den Motor wirkende Drehmoment von der Summe der Produkte, die jeweils aus dem Strom durch eine Phase und aus der in der Phasen induzierten EMK gebildet werden, abhängt, kann die Drehmomentenwelligkeit des Motors stark reduziert werden, wenn elektromagnetische Komponenten des Elektromotors derart ausgestaltet sind, dass die Welligkeit der durch den Rotor in den Phasen induzierten EMK gegenläufig zur Wellig keit des Stroms durch die Phasen verläuft.

Da bei einer erfindungsgemäßen Ansteuerung der Phasen der Verlauf des Stroms durch eine Phase etwa in der Mitte einer elektrischen Halbwelle eine Ausbuchtung nach oben zeigt, sollte die elektromotorische Kraft an dieser Stelle eine Ein buchtung nach unten zeigen, damit die Welligkeiten von Strom und elektromotorischer Kraft gegenläufig sind. In der Tat hat die Ansteuermethode eine ausgeprägte fünfte und siebte Ober welle im Strom zur Folge.

Es hat sich gezeigt, dass eine solche Form der elektromotori schen Kraft erzielt werden kann, wenn der Motor folgende Merkmale aufweist: Der um eine Rotationsachse drehbare Rotor weist gleichmäßig um die Rotationsachse ver teilt angeordnete Magnetpole auf. Ein Stator, der koaxial zu der Rotationsachse und dem Rotor angeordnet ist, weist für je zwei Magnetpole drei Statorzähne auf, die gleichmäßig um die Rotationsachse verteilt sind. Die Statorzähne weisen freie Flächen auf, die den Magnetpolen gegenüberliegen. Jeder Sta torzahn ist mit einem einzigen vorstehenden Element versehen, das sich ab der jeweiligen freien Fläche radial in Richtung des Rotors erstreckt. Der Motor kann so ausgestaltet werden, daß die EMK auch eine fünfte und siebte Oberwelle enthält, jedoch genau gegenphasig zu den Oberwellen des Stroms, so, daß sich das Produkt aus dem Strom und dem Oberwellenanteil der EMK (und damit ein Drehmomentenanteil) näherungsweise zu Null ergibt. Damit ergibt sich eine niedrigere Drehmomenten welligkeit.

Der Elektromotor kann eine Steuerschaltung zur Ansteuerung des Elektromotors aufweisen, wobei die Steuerschaltung sechs Leistungsschalter und eine Steuereinheit aufweist, die die Leistungsschalter öffnet oder schließt. Jede Phase kann der art mit zwei zwischen zwei Spannungspolen in Reihe geschalte ten Leistungsschalter verbunden sein, das bei geschlossenem ersten Leistungsschalter und bei geöffnetem zweiten Leis tungsschalter die Phase mit einer positiven Phasenspannung beaufschlagt wird und bei geöffnetem ersten Leistungsschalter und geschlossenem zweiten Leistungsschalter die Phase mit ei ner negativen Phasenspannung beaufschlagt wird.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an hand von Figuren näher erläutert.

Fig. 2 zeigt eine Steuerschaltung zur Ansteuerung eines Elektromotors mit einer Steuereinheit, einem Sensor, sechs Leistungsschaltern und drei Phasen.

Fig. 3 zeigt den Verlauf des Drehmoments des Motors, den Verlauf der elektromotorischen Kraft, die in einer Phase induziert wird, und den Verlauf des Stroms durch die Phase.

Fig. 4 zeigt einen Teil eines Querschnitts durch den Motor, in dem ein Rotor, ein Stator, Magnetpole, Statorzähne und vorstehende Elemente dargestellt sind.

Fig. 5 zeigt den Verlauf der Schaltungszustände der Leis tungsschalter.

Fig. 6 zeigt den Verlauf der elektromotorischen Kraft, die in einer Phase induziert wird, den Verlauf des Stroms durch die Phase und den Verlauf der Phasenspannung der Phase.

Im Ausführungsbeispiel ist ein Elektromotor vorgesehen, der eine Steuerschaltung ST zu seiner Ansteuerung aufweist (siehe Fig. 2).

Die Steuerschaltung ST weist sechs als MOSFET-Transistoren ausgestaltete Leistungsschalter L1, L2 auf, die drei Halbbrü cken bilden. Die Leistungsschalter L1, L2 werden durch eine Steuereinheit SE der Steuerschaltung ST, die über Treiberstu fen T mit den Leistungsschaltern L1, L2 verbunden sind, ge öffnet oder geschlossen.

Die Halbbrücken sind parallel zueinander und zwischen einem positiven Pol und einem negativen Pol geschaltet. Die Halb brücken werden jeweils durch zwei in Reihe geschaltete Leis tungsschalter L1, L2 gebildet.

Der Elektromotor weist drei Phasen P1, P2, P3 auf, wobei jede Phase P1, P2, P3 mit einem einer Phase P1, P2, P3 zugeordne ten Knotenpunkt einer Halbbrücke, der zwischen zwei Leis tungsschaltern L1, L2 angeordnet ist, verbunden ist. Die Spannungen an den Knotenpunkten sind die Ansteuerspannungen. Ist der eine Leistungsschalter L1 der Halbbrücke geöffnet, d. h. unterbrochen, und der andere Leistungsschalter L2 der Halbbrücke geschlossen, so wird die zugeordnete Phase P1, P2, P3 mit einer negativen Phasenspannung beaufschlagt. Ist der eine Leistungsschalter L1 geschlossen, der andere Leistungs schalter L2 geöffnet, so wird die zugeordnete Phase P1, P2, P3 mit einer positiven Phasenspannung beaufschlagt.

In Fig. 5 ist dargestellt, wann welcher der Leistungsschal ter L1, L2 geöffnet oder geschlossen ist. Der jeweils höhere Wert entspricht einem geschlossenen Leistungsschalter L1, L2. Auf der horizontalen Achse sind die Winkel der elektrischen Welle aufgetragen. Der Kommutierungswinkel beträgt 150° und ist symmetrisch angeordnet.

Der Elektromotor weist einen Sensor S auf zur Bestimmung der Drehstellung des Rotors R des Motors.

Der Rotor R ist um eine Rotationsachse drehbar angeordnet und weist gleichmäßig um die Rotationsachse verteilt angeordnete Magnetpole M auf (siehe Fig. 4). Die Magnetpole M werden durch Segmente aus Blechlamellen gebildet, die jeweils zwi schen zwei Permanentmagneten angeordnet sind. Koaxial um den Rotor R ist ein Stator SA angeordnet, der für je zwei Magnet pole M drei Statorzähne Z aufweist, die gleichmäßig um die Rotationsachse verteilt sind. Die Phasen P1, P2, P3 sind um die Statorzähne Z gewickelt (nicht dargestellt).

Die Statorzähne Z weisen freie Flächen auf, die den Magnetpo len M gegenüberliegen. Jeder Statorzahn Z ist mit einem ein zigen vorstehenden Element E versehen, das sich ab der jewei ligen freien Fläche radial in Richtung des Rotors R er streckt.

Bei niedrigen Drehzahlen, z. B. im unteren Drittel des Dreh zahlenbereichs, des Motors werden die Leistungsschalter L1, L2 durch die Steuereinheit SE mittels PWM angesteuert. Die Ansteuerung erfolgt derart, dass der Kommutierungswinkel 120° beträgt und zentrisch um 90° einer elektrischen Welle ange ordnet ist.

Die Höhe der Phasenspannung lässt sich auf die Höhe des Span nungsabfalls zwischen dem positiven Pol und dem negativen Pol zurückführen. So entspricht beispielsweise die Phasenspannung der ersten Phase P1 zwischen 45° und 75° dem halben Span nungsabfall zwischen dem positiven Pol und der negativen Pol, da die erste Phase P1 und die zweite Phase P2 quasi in Reihe geschaltet sind. Zwischen 15° und 45° hingegen entspricht die Phasenspannung der ersten Phase P1 einem Drittel des Span nungsabfalls zwischen dem positiven Pol und dem negativen Pol, da auch die dritte Phase P3 bestromt wird. Hierbei wur den Induktivitäten, EMK und Freilaufeffekte nicht berücksich tigt.

Die Höhe der Phasenspannung wird durch PWM umso niedriger ge wählt, je niedriger die Drehzahl des Elektromotors gewünscht ist.

Im mittleren Drehzahlbereich des Motors, z. B. im mittleren Drittel des Drehzahlbereichs, werden die Leistungsschalter L1, L2 so geschaltet, dass der Kommutierungswinkel 150° be trägt und der Beginn des Kommutierungswinkels einer Phase P1, P2, P3 mit dem Beginn der durch den Rotor R in der Phase P1, P2, P3 induzierten EMK zusammenfällt. Der Kommutierungswinkel ist also nicht zentriert. Die Höhe der Ansteuerspannung wird durch PWM erzeugt. Auch hier wird die Ansteuerspannung umso niedriger gewählt, je niedriger die Drehzahl des Elektromo tors sein soll.

Bei hohen Drehzahlen, z. B. im oberen Drittel des Drehzahlbe reichs, werden die Leistungsschalter L1, L2 so angesteuert, dass der Beginn des Kommutierungswinkels umso früher als die durch den Rotor R in der Phase induzierten EMK beginnt, je höher die Drehzahl des Motors ist. Die Höhe der Ansteuerspan nung wird nicht verändert. Die Phasenspannung wird nicht durch PWM erzeugt. Die Änderung der Drehzahl wird durch stär kere oder schwächere Vor- oder Nachkommutierung bewirkt.

Mit Hilfe des Sensors S wird die Drehstellung des Rotors R bestimmt. Die Messung kann einmal pro elektrischer Welle stattfinden.

Die Steuereinheit SE enthält zwölf abgespeicherte Zustände. Für jeden Zustand wird festgelegt, welcher der Phasen mit ei ner positiven oder negativen Phasenspannung beaufschlagt wird oder nicht, d. h. welcher der Phasen mit welchem Vorzeichen bestromt wird oder nicht. Jeder der Zustände weist eine zeit liche Dauer auf, die 30° entspricht, wobei 360° sich auf eine volle elektrische Welle bezieht. Der erste Zustand ist ge kennzeichnet durch positive Phasenspannungen der ersten Phase P1 und dritten Phase P3 und durch eine negative Phasenspan nung der zweiten Phase P2. Der zweite Zustand ist gekenn zeichnet durch eine positive Phasenspannung der ersten Phase P1, einer negativen Phasenspannung der zweiten Phase P2 und einer offenen dritten Phase P3. Der dritte Zustand ist ge kennzeichnet durch eine positive Phasenspannung der ersten Phase P1 und negativer Phasenspannungen der zweiten Phase P2 und dritten Phase P3. Der vierte Zustand ist gekennzeichnet durch eine positive Phasenspannung der ersten Phase P1, einer negativen Phasenspannung der dritten Phase P3 und einer offe nen zweiten Phase P2. Der fünfte Zustand ist gekennzeichnet durch positive Phasenspannungen der ersten Phase P1 und zwei ten Phase P2 und einer negativen Phasenspannung der dritten Phase P3. Der sechste Zustand ist gekennzeichnet durch eine positive Phasenspannung der zweiten Phase P2, einer negativen Phasenspannung der dritten Phase P3 und einer offenen ersten Phase P1. Der siebte Zustand ist gekennzeichnet durch eine positive Phasenspannung der zweiten Phase P2 und negative Phasenspannungen der ersten Phase P1 und der dritten Phase P3. Der achte Zustand ist gekennzeichnet durch eine positive Phasenspannung der zweiten Phase P2, einer negativen Phasen spannung der ersten Phase P1 und einer offenen dritten Phase P3. Der neunte Zustand ist gekennzeichnet durch positive Pha senspannungen der zweiten Phase P2 und dritten Phase P3 und einer negativen Phasenspannung der ersten Phase P1. Der zehn te Zustand ist gekennzeichnet durch eine positive Phasenspan nung der dritten Phase P3, einer negativen Phasenspannung der ersten Phase P1 und einer offenen zweiten Phase P2. Der elfte Zustand ist gekennzeichnet durch eine positive Phasenspannung der dritten Phase P3 und negative Phasenspannungen der ersten Phase P1 und zweiten Phase P2. Der zwölfte Zustand ist ge kennzeichnet durch eine positive Phasenspannung der dritten Phase P3 und negative Phasenspannung der zweiten Phase P2 und einer offenen ersten Phase P1.

Die abgespeicherten zwölf Zustände werden zur Ansteuerung der Leistungsschalter L1, L2 verwendet, wobei mittels eines Algo rithmus in der Steuereinheit SE die zwölf Zustände zeitlich aufeinanderfolgen und der Elektromotor gemäß dem aktuellen Zustand angesteuert wird. Etwa nach Ablauf des letzten Zu stands wird von neuem mit dem ersten Zustand begonnen. Da die zeitliche Dauer eines Zustandes von der Dauer einer vollen elektrischen Welle abhängt, wird regelmäßig die Drehzahl des Rotors R bestimmt.

Der Beginn des ersten Zustands wird unter Berücksichtigung einer evtl. Zentrierung des Kommutierungswinkels oder einer evtl. Vorkommutierung bei hohen Drehzahlen auf die Lage des Rotors R, der durch den Sensor S bestimmt wird, abgestimmt.

Bei niedrigen Drehzahlen z. B. beginnt der erste Zustand bei 30° entsprechend der 120° Kommutierung des Standes der Tech nik.

In Fig. 6 sind der Verlauf des Stroms I durch die erste Pha se P1, die Phasenspannung UP der ersten Phase P1 sowie die durch den Rotor R in der ersten Phase P1 induzierte elektro motorische Kraft EMK bei mittleren Drehzahlen dargestellt. Induktivitäten, EMK und Freilaufeffekte wurden für den Strom I und die Phasenspannung P1 berücksichtigt.

Der Verlauf des Stroms I durch die erste Phase P1 bei mittle ren Drehzahlen ist außerdem in Fig. 3 dargestellt. Es lässt sich etwa in der Mitte der Halbwelle eine Ausbuchtung nach oben erkennen. Die durch den Rotor R in der ersten Phase P1 induzierte elektromotorische Kraft EMK ist ebenfalls in Fig. 3 dargestellt. Es lässt sich etwa in der Mitte der Halbwelle eine Einbuchtung nach unten erkennen. Die Ansteuerung der Phasen P1, P2, P3 zusammen mit der Ausgestaltung des Motors führt zu einem auf den Motor wirkenden Drehmoment D, der eine geringe Drehmomentenwelligkeit aufweist und ebenfalls in Fig. 3 dargestellt ist.

Claims

1. Verfahren zur Ansteuerung eines bürstenlosen dreiphasigen Elektromotors,
bei dem Blockkommutierung verwendet wird,
bei dem der Elektromotor derart angesteuert wird, daß der Kommutierungswinkel kleiner als 180° und größer als 120° ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
wobei der Elektromotor p Polpaare aufweist,
bei dem m zeitlich gleichlange und zeitlich aufeinanderfol gende Zustände festgelegt werden, wobei m eine natürliche Zahl ist,
wobei für jeden Zustand festgelegt ist, welche der Phasen (P1, P2, P3) mit einer positiven oder negativen Phasenspan nung beaufschlagt wird oder nicht,
bei dem die Größe von m derart festgelegt wird, daß folgen de Bedingungen erfüllt sind:

a) ein ganzzahliges Vielfaches von 2 ergibt m,
b) ein ganzzahliges Vielfaches von 3 ergibt m,
c) ein ganzzahliges Vielfaches von 360°/Kommutierungswinkel ergibt m,

bei dem die Zustände derart festgelegt werden, daß während jedem Zustand zwei oder drei der Phasen (P1, P2, P3) mit einer Phasenspannung ungleich Null beaufschlagt sind, wobei während mindestens eines Zustandes zwei der Phasen und wäh rend mindestens eines weiteren Zustandes drei der Phasen mit einer Phasenspannung ungleich Null beaufschlagt sind,
bei dem aus der aktuellen Drehzahl des Elektromotors und abhängig von der Anzahl der Pole zumindest indirekt die zeitliche Dauer eines Zustands nach folgender Gleichung er mittelt wird:
zeitliche Dauer eines Zustands = 1/(m.Drehzahl.p),
bei dem der Elektromotor gemäß dem aktuellen Zustand ange steuert wird, wobei etwa nach Ablauf des letzten Zustandes von neuem mit dem ersten Zustand begonnen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem m = 12 ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Kommutierungswinkel 150° beträgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
bei dem der Elektromotor einen Rotor (R) aufweist,
bei dem der Beginn des zumindest ersten Zustandes auf die Drehstellung des Rotors (R) abgestimmt wird,
bei dem weitere Zustände beginnen, wenn der jeweils voran gehende Zustand abgelaufen ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Drehstellung des Rotors (R) mit Hilfe eines einzigen Sensors (S) bestimmt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5,
bei dem die EMK mindestens einer Phase im unbestromten Zu stand gemessen wird,
bei dem eine bestimmte Drehstellung des Rotors (R) erkannt wird, wenn die gemessene EMK einen bestimmten Schwellwert durchläuft.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, bei dem eine erste der Phasen (P1) ab dem ersten Zustand über den gesamten Kommutierungswinkel und ab dem (m/2+1)sten Zustand über den gesamten Kommutierungswinkel mit einer Phasenspannung ungleich Null beaufschlagt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem zumindest in einem mittleren Drehzahlbereich des Elektromotors der Beginn des ersten Zustandes derart auf die Position des Rotors (R) abgestimmt wird, daß der Beginn des ersten Zustandes im wesentlichen zusammenfällt mit dem Be ginn der elektrischen Welle der durch den Rotor (R) in der ersten Phase (P1) induzierten elektromotorischen Kraft (EMK).

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem zumindest in einem oberen Drehzahlbereich des Elektromotors der Beginn des ersten Zustandes derart auf die Position des Rotors (R) abgestimmt wird, daß der erste Zu stand umso früher als die elektrische Welle der durch den Rotor (R) in der ersten Phase (P1) induzierten elektromoto rischen Kraft (EMK) beginnt, je höher die gewünschte Dreh zahl des Elektromotors ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem in einem niedrigen und/oder im mittleren Drehzahl bereich die Blockkommutierung durch Pulsweitenmodulation erzeugt wird, wobei die Ansteuerspannungen jeder der drei Phasen (P1, P2, P3) umso niedriger gewählt werden, je nied riger die gewünschte Drehzahl des Elektromotors ist.

12. Verfahren nach Anspruch 11,
bei dem im niedrigen Drehzahlbereich der Kommutierungswin kel 120° beträgt,
bei dem der Kommutierungswinkel symmetrisch um 90° der elektrischen Welle der durch den Rotor (R) in der jeweiligen Phase induzierten elektromotorischen Kraft (EMK) liegt.

13. Bürstenloser dreiphasiger Elektromotor, der derart einge richtet ist, daß ein Verfahren zu seiner Ansteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 angewendet werden kann.

14. Elektromotor nach Anspruch 13, dessen Phasen eine hohe Induktivität aufweisen.

15. Elektromotor nach Anspruch 13 oder 14, dessen elektromagnetische Komponenten derart ausgestaltet sind, daß die Welligkeit der durch den Rotor (R) in den Phasen (P1, P2, P3) induzierten elektromotorischen Kraft (EMK) gegenläufig zur Welligkeit des Stroms durch die Pha sen (P1, P2, P3) verläuft.

16. Elektromotor nach Anspruch 15,
mit einem um eine Rotationsachse drehbaren Rotor (R), der gleichmäßig um die Rotationsachse verteilt angeordnete Mag netpole (M) aufweist,
mit einem Stator (SA), der koaxial zu der Rotationsachse und dem Rotor (R) angeordnet ist und für je zwei Magnetpole (M) drei Statorzähnen (Z) aufweist, die gleichmäßig um die Rotationsachse verteilt sind,
bei dem die Statorzähne (Z) freie Flächen aufweisen, die den Magnetpolen (M) gegenüberliegen,
bei der jeder Statorzahn (Z) mit einem einzigen vorstehen den Element (E) versehen ist, das sich ab der jeweiligen freien Fläche radial in Richtung des Rotors (R) erstreckt.

17. Elektromotor nach einem der Ansprüche 13 bis 16, mit einem einzigen Sensor (S) oder mit keinem Sensor zur Bestimmung der Drehstellung und/oder der Drehgeschwindig keit des Rotors (R).

18. Elektromotor nach einem der Ansprüche 13 bis 17,
mit einer Steuerschaltung (ST) zur Ansteuerung des Elektro motors,
wobei die Steuerschaltung sechs Leistungsschalter (L1, L2) und eine Steuereinheit (SE) aufweist, die die Leistungs schalter (L) öffnet oder schließt,
wobei jede Phase (P1, P2, P3) derart mit zwei zwischen zwei Spannungspolen in Reihe geschalteten Leistungsschalter (L1, L2) verbunden ist, daß bei geschlossenem ersten Leistungs schalter (L1) und geöffnetem zweiten Leistungsschalter (L2) die Phase mit einer positiven Phasenspannung beaufschlagt wird und bei geöffnetem ersten Leistungsschalter (L1) und geschlossenem zweiten Leistungsschalter (L2) die Phase mit einer negativen Phasenspannung beaufschlagt wird.