DE102017206437A1

DE102017206437A1 - Bürstenloser Gleichstrommotor mit einem Ringmagneten

Info

Publication number: DE102017206437A1
Application number: DE102017206437.4A
Authority: DE
Inventors: Stijn Goossens; Johannes van Ginkel
Original assignee: Dana Automotive Systems Group LLC
Current assignee: Dana Automotive Systems Group LLC
Priority date: 2016-04-13
Filing date: 2017-04-13
Publication date: 2017-10-19
Also published as: JP2017192298A; US20170302207A1; US10476420B2

Abstract

Es ist ein BLDC-Motor mit einem Steuersystem, einem Rotor, enthaltend einen Motormagneten mit mehreren einander abwechselnden magnetischen Polen auf diesem, einem Stator und einem Ringmagneten vorgesehen. Der Ringmagnet ist an dem Rotor axial benachbart dem Motormagneten auf dem Rotor befestigt. Die Anzahl von Polen des Ringmagneten ist ein ganzzahliges Mehrfaches der Anzahl von Polen auf dem Motormagneten. Auch ist ein Verfahren zum Steuern des BLDC-Motor vorgesehen, das die Schritte enthält: Zuführen eines Stroms zu dem Motor, Bestimmen, ob das von dem Motor erzeugte Drehmoment in einer positiven oder einer negativen Richtung ist, Bestimmen eines Multiplikators auf der Grundlage der Richtung des Drehmoments, Multiplizieren des zugeführten Stroms mit dem Multiplikator, Implementieren einer Kommutationsfolge zum Liefern von Strom zu dem Motor, Messen des Stroms in jeder der mehren Wicklungen und Einstellen des zu dem Motor gelieferten Stroms auf der Grundlage des gemessenen Stroms.

Description

BEZOGENE ANMELDUNG
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der provisorischen US-Anmeldung Nr. 62/321 871, die am 13. April 2016 eingereicht wurde und deren Offenbarung hier in ihrer Gesamtheit einbezogen wird.
GEBIET
Die vorliegende Erfindung ist auf einen bürstenlosen Gleichstrom(BLDC)-Motor mit einem Ringmagneten bezogen, bei dem die Anzahl der Pole des Ringmagneten ein Mehrfaches der Anzahl von Polen auf dem Motormagneten ist, und ein Verfahren und Steuersystem zum Bestimmen der Position des Motors gerichtet.
HINTERGRUND
Bürstenlose Gleichstrom(BLDC)-Motoren werden in vielen Industrien angewendet, einschließlich Anwendungen in der Automobil- und Luftfahrttechnik, für Verbraucher, für medizinische Zwecke, industrielle Automatisierungstechnik und Instrumententechnik. Ein BLDC-Motor enthält einen Stator mit elektromagnetischen Polen mit Wicklungen auf diesen und einen Rotor mit einem auf dessen Oberfläche befestigtem Magnet zur Schaffung von permanentmagnetischen Polen. Der Stator und der Rotor sind magnetisch miteinander wirksam, wenn ein elektrischer Strom in den Wicklungen fließt. BLDC-Motoren erfordern eine Quelle zum Liefern eines umgepolten Stroms zu den Wicklungen, der mit der Rotorposition synchronisiert ist. Eine Phasenumschaltung von durch jede der Wicklungen fließendem Strom wird zu einer geeigneten Zeit durchgeführt, um ein kontinuierliches magnetisches Drehfeld zu bilden, das erhalten werden kann, wenn eine Rotorposition korrekt erkannt wird.
BLDC-Motoren verwenden üblicherweise eine Dreiphasenkonfiguration mit Hall-Sensoren, die in den Motor eingebettet sind, um Kommunikationspositionen für jede Phase (U, V, W) zu definieren. Ein herkömmlicher BLDC-Dreiphasenmotor enthält einen Rotor mit mehreren magnetischen Polen und einen Stator enthaltend eine U-, eine V- und eine W-Phasenwicklung. Ein BLDC-Dreiphasenmotor hat sechs Kommutationszustände. Wenn alle sechs Zustände in der Kommutationsfolge durchgeführt wurden, wird die Folge wiederholt, um die Drehung fortzusetzen.
Hall-Sensoren in BLDC-Motoren werden verwendet, um den Motor auf der Grundlage der Änderung der Hall-Sensorsignale umzuschalten, und zur Positionserfassung. Das von den Hall-Sensoren erfasste Magnetfeld wird typischerweise von Magneten an dem Rotor des Motors oder einen zusätzlichen Ringmagneten erzeugt. Hall-Sensoren werden als kostengünstige Lösungen zum Erfassen der Position verwendet.
Üblicherweise haben BLDC-Motoren drei Hall-Sensoren, die in den Stator an dem nicht antreibenden Ende des Motors eingebettet sind. Wenn die magnetischen Pole des Rotors nahe den Hall-Sensoren vorbeigehen, liefern sie ein hohes oder niedriges Signal, das anzeigt, dass der N- oder der S-Pol nahe den Sensoren vorbeigeht. Auf der Grundlage der Kombination der drei Hall-Sensoren kann die genaue Folge der Kommutation bestimmt werden.
Bei typischen BLDC-Operationen leiten zwei der drei Phasen eines BLDC-Motors Strom, während die andere Phase keinen Strom führt, d. h. eine tote Phase ist, damit der Motor sich dreht. Ein typischer BLDC-Dreiphasenmotor hat Hall-Sensoren, die anzeigen, welche beiden der drei Phasen aktiv (d. h., nicht tot) sind. Hall-Zustände (H1, H2, H3) können verwendet werden, um eine Eins-zu-Eins-Beziehung mit Rotorphasen und der Richtung, mit denen die Spannung angelegt werden muss, zu schaffen. Es gibt sechs mögliche Hall-Phasenkombinationen, die genau eine elektrische Periode abdecken, und daher ist die Positionsauflösung unter Verwendung der Dreiphasen-Hall-Sensoren auf ein Sechstel einer elektrischen Periode begrenzt.
Angesichts der vorgenannten Nachteile wäre es vorteilhaft, einen BLDC-Motor zu haben, der Hall-Sensoren und einen Ringmagneten verwendet, um eine Positionserfassung mit verbesserter Auflösung zu erhalten.
KURZFASSUNG
Es ist ein BLDC-Motor mit einem Steuersystem, einem Rotor, einem Stator und einem Ringmagneten vorgesehen. Der Rotor enthält einen Rotorkern mit einer radial inneren Oberfläche und einer radial äußeren Oberfläche, einer Welle, die antriebsmäßig mit dem Rotorkern verbunden ist, und einen Motormagneten mit einer radial äußeren Oberfläche, einer radial inneren Oberfläche und mehreren einander abwechselnden Magnetpolen an diesem, wobei der Motormagnet auf der radial äußeren Oberfläche des Rotorkerns positioniert ist. Der Stator hat einen mittleren ringförmigen Bereich, der eine Öffnung definiert, einen äußeren ringförmigen Bereich, mehrere Polarme mit radialen Wicklungen auf diesen, und einen Satz von Sensoren in elektrischer Verbindung mit dem Steuersystem, wobei die Polarme sich von dem mittleren ringförmigen Bereich zu dem äußeren ringförmigen Bereich erstrecken, und wobei sich die Sensoren von dem mittleren ringförmigen Bereich zu dem äußeren ringförmigen Bereich erstrecken. Der Ringmagnet ist axial benachbart dem Motormagneten an dem Rotor befestigt und hat mehrere einander abwechselnde magnetische Pole, wobei die Anzahl von Polen auf dem Ringmagneten ein ganzzahliges Mehrfaches der Anzahl von Polen auf dem Motormagneten ist.
Weiterhin ist ein Verfahren zum Steuern einer Position eines Rotors eines bürstenlosen Gleichstrommotors vorgesehen, welches Verfahren enthält: Bereitstellen eines bürstenlosen Gleichstrommotors enthaltend einen Rotor, einen Stator, einen Motormagneten mit einer Anzahl von magnetischen Polen auf diesem, der an dem Rotor befestigt ist, und einen Ringmagneten, der axial benachbart dem Motormagneten an dem Rotor befestigt ist und eine Anzahl von magnetischen Polen hat, wobei der Stator mehrere Wicklungen und mehrere Sensoren enthält, und wobei die Anzahl von Polen an dem Ringmagneten das Zweifache der Anzahl von Polen an dem Motormagneten ist; Zuführen eines Stroms zu dem Motor; Bestimmen, ob das von dem Motor erzeugte Drehmoment eine positive oder eine negative Richtung hat; Bestimmen eines Multiplikators auf der Grundlage der Richtung des Drehmoments; Multiplizieren des zugeführten Stroms mit dem Multiplikator; Implementieren einer Kommutationsfolge, um Strom zu dem Motor zu liefern; und Messen des Stroms in jeder der mehreren Wicklungen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorgenannten sowie andere Vorteile der vorliegenden Ausführungsbeispiele werden für den Fachmann leicht ersichtlich anhand der folgenden detaillierten Beschreibung, wenn sie angesichts der begleitenden Zeichnungen betrachtet wird, in denen:
1 eine schematische Draufsicht auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines BLDC-Motors ist;
2 eine schematische perspektivische Ansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Ringmagneten ist;
3 eine schematische Seitenansicht des Ringmagneten nach 2 ist;
4 eine schematische perspektivische Ansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Ringmagneten und eines Motormagneten eines BLDC-Motors ist;
5 ein Diagramm ist, das die Beziehung zwischen Hall-Zuständen und Phasenspannungen bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel eines BLDC-Motors und eines BLDC-Motors nach dem Stand der Technik illustriert;
6 ein Blockschaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Steuersystems für einen BLDC-Motor ist;
7 ein Diagramm ist, das die Ringperioden des Ringmagneten und des Motormagneten nach 4 während einer elektrischen Periode darstellt;
8 ein Blockschaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Steuern des Stroms für einen BLDC-Motor ist, das durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Steuersystems implementiert wird;
9 ein Blockschaltbild eines anderen bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Steuern des Stroms für einen BLDC-Motors ist, das durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Steuersystems implementiert wird;
10 ein Blockschaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Bestimmen der Richtung des Drehmoments ist, das durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Steuersystems implementiert wird;
11 ein Blockschaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Bestimmen des Werts eines Multiplikators ist, das durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Steuersystems implementiert wird;
12 ein Blockschaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Erfassen einer Änderung der Richtung des Drehmoments ist, das durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Steuersystems implementiert wird;
13 ein Blockschaltbild eines anderen bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Erfassen einer Änderung der Richtung des Drehmoments ist, das durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Steuersystems implementiert wird; und
14 ein Blockschaltbild eines anderen bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Erfassen einer Änderung der Richtung des Drehmoments ist, das durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Steuersystems implementiert wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Es ist darauf hinzuweisen, dass die bevorzugten Ausführungsbeispiele verschiedene alternative Orientierungen und Schrittfolgen annehmen können, mit der Ausnahme einer ausdrücklichen gegensätzlichen Bestimmung. Es ist auch darauf hinzuweisen, dass die spezifischen Vorrichtungen und Prozesse, die in den angefügten Zeichnungen illustriert und in der folgenden Beschreibung beschrieben sind, lediglich beispielhafte Ausführungsbeispiele der hier definierten erfinderischen Konzepte sind. Daher sind spezifische Abmessungen, Richtungen oder andere körperliche Eigenschaften, die sich auf die offenbarten Ausführungsbeispiele beziehen, nicht als beschränkend anzusehen.
Der Fachmann erkennt, dass verschiedene veranschaulichende logische Blöcke, Module, Schaltungen, Strategien, Schemata und Algorithmusschritte, die in Verbindung mit hier offenbarten Ausführungsbeispielen beschrieben werden, enthaltend beispielsweise eine Bezugnahme auf das hier beschriebene Steuersystem, wahlweise als elektronische Hardware, Software, die in einem computerlesbaren Medium gespeichert und durch einen Prozessor durchführbar ist, oder Kombinationen von beiden implementiert sind.
Um diese Austauschbarkeit von Hardware und Software deutlich zu illustrieren, wurden verschiedene veranschaulichende Komponenten, Blöcke, Module, Schaltungen, Strategien, Schemata und Schritte vorstehend allgemein in Bezug auf ihre Funktionalität beschrieben. Ob eine derartige Funktionalität als Hardware oder Software implementiert ist, hängt von der besonderen Anwendung und den dem Gesamtsystem auferlegten Designrandbedingungen ab. Der Fachmann kann die beschriebene Funktionalität auf verschiedene Weise für jede besondere Anwendung implementieren, aber derartige Implementierungsentscheidungen sollten nicht als ein Verlassen des Bereichs der vorliegenden Ausführungsbeispiele bewirkend interpretiert werden. Beispielsweise sind verschiedene veranschaulichende logische Blöcke, Module, Strategien, Schemata und Schaltungen, die in Verbindung mit den hier offenbarten Ausführungsbeispielen beschrieben werden, optional implementiert oder mit einem Universalprozessor, einem digitalen Signalprozessor (DSP), einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC), einem frei programmierbaren Gate Array (FPGA) oder anderer programmierbarer logischer Vorrichtung einem diskreten Gate oder Transistor Logik, diskreten Hardwarekomponenten oder irgendeiner Kombination hiervon, die gestaltet ist, die hier beschriebene Funktion durchzuführen, durchgeführt. Ein Universalprozessor ist wahlweise ein Mikroprozessor, aber alternativ ist der Prozessor wahlweise irgendein herkömmlicher Prozessor, eine Steuervorrichtung, eine Mikrosteuervorrichtung oder Zustandsmaschine. Ein Prozessor ist auch wahlweise als eine Kombination von Rechenvorrichtungen implementiert, z. B. einer Kombination aus einem DSP und einem Mikroprozessor, mehreren Mikroprozessoren, einem oder mehreren Mikroprozessoren in Verbindung mit einem DSP-Kern, oder irgendeiner anderen derartigen Konfiguration.
Software, die mit derartigen Modulen assoziiert ist, befindet sich wahlweise in einem RAM-Speicher, einem Flashspeicher, einem ROM-Speicher, einem EPROM-Speicher, einem EEPROM-Speicher, Registern, einer Festplatte, einer entfernbaren Plate, einem CD-ROM oder irgendeiner anderen geeigneten Form von Speichermedium nach dem Stand der Technik. Ein beispielhaftes Speichermedium ist derart mit dem Prozessor gekoppelt, dass der Prozessor in der Lage ist, Informationen aus dem Speichermedium zu lesen und Informationen in dieses zu schreiben. Als Alternative ist das Speichermedium wahlweise mit dem Prozessor integriert. Der Prozessor und das Speichermedium befinden sich wahlweise in einem ASIC. Beispielsweise enthält bei einem Ausführungsbeispiel eine Steuervorrichtung zur Steuerung des Motors einen Prozessor (nicht gezeigt).
Bei einigen Ausführungsbeispielen enthält das Steuersystem eine digitale Verarbeitungsvorrichtung, oder eine Verwendung derselben enthält eine oder mehrere zentrale Hardware-Verarbeitungseinheiten (CPU), die die Funktionen des Systems durchführen. Bei noch weiteren Ausführungsbeispielen enthält die digitale Verarbeitungsvorrichtung weiterhin ein Operationssystem, das zum Durchführen durchführbarer Befehle konfiguriert ist. Bei einigen Ausführungsbeispielen ist die digitale Verarbeitungsvorrichtung wahlweise mit einem Computernetz verbunden. Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist die digitale Verarbeitungsvorrichtung wahlweise mit dem Internet, einer Cloudberechnungs-Infrastruktur, einem Intranet oder einer Datenspeichervorrichtung verbunden.
Gemäß der vorliegenden Beschreibung enthalten geeignete digitale Verarbeitungsvorrichtungen im Wege nicht beschränkender Beispiele Servercomputer, Desktopcomputer, Laptopcomputer, Notebookcomputer, tragbare Computer, Interneteinrichtungen, mobile Smartphones und Tabletcomputer. Bei einigen Ausführungsbeispielen enthält die digitale Verarbeitungsvorrichtung ein Betriebssystem, das zum Durchführen durchführbarer Befehle konfiguriert ist. Das Betriebssystem ist beispielsweise Software enthaltend Programme und Daten, die die Hardware der Vorrichtung verwaltet und Dienstleistungen zur Durchführung von Anwendungen liefert.
Bei einigen Ausführungsbeispielen enthalten die Vorrichtungen einen Speicher und/oder eine Speichervorrichtung. Der Speicher und/oder die Speichervorrichtung sind eine oder mehrere physische Vorrichtungen, die zum Speichern von Daten oder Programmen auf einer temporären oder permanenten Basis verwendet werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen ist die Vorrichtung ein flüchtiger Speicher und erfordert Energie zum Halten von gespeicherten Informationen. Bei einigen Ausführungsbeispielen ist die Vorrichtung nicht flüchtig. Bei anderen Ausführungsbeispielen ist die Vorrichtung eine Speichervorrichtung enthalten, im Wege nicht beschränkender Beispiele, CD-ROMs, DVDs, Flashspeichervorrichtungen, Magnetplatten-Laufwerke, Magnetband-Laufwerke, Laufwerke für optische Scheiben und auf Cloudberechnung basierende Speicher. Bei weiteren Ausführungsbeispielen sind der Speicher und/oder die Speichervorrichtung eine Kombination von Vorrichtungen wie die hier offenbarten.
Bei einigen Ausführungsbeispielen enthält das hier offenbarte Steuersystem für den Motor zumindest ein Computerprogramm oder die Verwendung desselben. Ein Computerprogramm enthält eine Folge von Befehlen, die in der CPU der digitalen Verarbeitungsvorrichtung durchführbar und geschrieben ist, um eine bestimmte Aufgabe durchzuführen. Computerlesbare Befehle sind wahlweise als Programmmodule implementiert, wie Funktionen, Objekte, Anwendungsprogrammier-Schnittstellen (APIs), Datenstrukturen und dergleichen, die besondere Aufgaben durchführen oder besondere abstrakte Datentypen implementieren. Angesichts der vorliegenden Offenbarung erkennt der Fachmann, dass ein Computerprogramm wahlweise in verschiedenen Versionen von verschiedenen Sprachen geschrieben ist.
Die Funktionalität der computerlesbaren Befehle ist wahlweise kombiniert oder verteilt, wie in dem jeweiligen Umfeld gewünscht ist. Bei einigen Ausführungsbeispielen enthält ein Computerprogramm eine Folge von Befehlen. Bei einigen Ausführungsbeispielen enthält ein Computerprogramm mehrere Folgen von Befehlen. Bei einigen Ausführungsbeispielen wird ein Computerprogramm von einem Ort geliefert. Bei anderen Ausführungsbeispielen wird ein Computerprogramm von mehreren Orten geliefert. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen enthält ein Computerprogramm ein oder mehrere Softwaremodule.
Bei einigen Ausführungsbeispielen enthält die digitale Verarbeitungsvorrichtung ein Betriebssystem, das zum Durchführen ausführbarer Befehle konfiguriert ist. Das Betriebssystem ist beispielsweise Software, die Programme und Daten enthält und die die Hardware der Vorrichtung verwaltet und Dienstleistungen zur Durchführung von Anwendungen liefert.
Wie in 1 dargestellt ist, hat in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein BLDC-Motor 10 einen Stator 12 und einen Rotor 14, der relativ zu dem Stator 12 drehbar ist, um elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Der Rotor 14 enthält eine Welle 16, einen Rotorkern 18 und einen Motormagneten 20. Der Rotorkern 18 hat eine radial innere Oberfläche 18a und eine radial äußere Oberfläche 18b. Der Rotorkern 18 ist mit der Welle 16 auf seiner inneren Oberfläche 18a verbunden. Die Welle 16 ist eine Drehwelle. Bei einigen Ausführungsbeispielen ist die Welle 16 mit einer Antriebswelle (nicht illustriert) des Motors 10 gekoppelt. Der Motormagnet 20 ist im Allgemeinen ringförmig und auf der äußeren Oberfläche 18b des Rotorkerns 18 positioniert. Der Motormagnet 20 hat eine radial äußere Oberfläche 20b, die der inneren Oberfläche des Stators 12 derart zugewandt ist, dass der Rotor 14 eine Induktion mit dem Stator 12 haben kann und sich somit der Motormagnet 20 innerhalb des Stators 12 dreht. Bei einigen Ausführungsbeispielen enthält der Motormagnet 20 einen Satz von Permanentmagneten 22, die abwechselnd angeordnete magnetische Pole, d. h., N-Pole und S-Pole bilden. Die Magnete 22 sind in gleichem gegenseitigem Abstand in Umfangsrichtung um den Rotorkern 18 herum angeordnet. Bei einem Ausführungsbeispiel ist, wie in 1 gezeigt ist, der Motormagnet 20 aus zwei magnetischen Polen N, S zusammengesetzt; jedoch kann die Anzahl von Polen in Abhängigkeit von der Verwendung des Motors 10 variieren.
Bei einigen Ausführungsbeispielen enthält der Stator 12 einen mittleren ringförmigen Bereich 12a, der eine mittlere Öffnung 12b definiert, in die der Rotor 14 eingepasst ist. Mehrere Polarme 24 mit um diese herum gewickelten radialen Wicklungen 26 erstrecken sich von dem mittleren ringförmigen Bereich 12a zu einem äußeren ringförmigen Bereich 12c hin. Die Wicklungen 26 werden schaltbar gemäß einer Folge, die mit der augenblicklichen Position des Rotors 18 synchronisiert sein muss, durch ein Steuersystem 30 betrieben. Bei einigen Ausführungsbeispielen enthält das Steuersystem 30 eine Steuervorrichtung (nicht gezeigt). Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Polarme 24 in Umfangsrichtung in gleichen gegenseitigen Abständen um den ringförmigen Bereich 12a herum positioniert. Bei einigen Ausführungsbeispielen hat, wie in 1 dargestellt ist, der Motor 10 drei in diesem positionierte Polarme 24; jedoch ist eine andere Anzahl von Polarmen 24 abhängig von der Verwendung des Motors 10 möglich.
Bei einigen Ausführungsbeispielen hat der Stator 12 einen Satz von Sensoren 28a, 28b, 28c, die in Umfangsrichtung in gleichen gegenseitigen Abständen positioniert sind und sich von dem mittleren ringförmigen Bereich 12a zu dem äußeren ringförmigen Bereich 12c erstrecken, wie in 1 gezeigt ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Sensoren 28a, 28b, 28c in einem gegenseitigen Abstand von 120 mechanischen Grad positioniert und jeder Sensor ist in gleichem Abstand zwischen zwei Polarmen 24 positioniert. Die Sensoren 28a, 28b, 28c können magnetische Sensoren, beispielsweise Hall-Sensoren oder Spulen, sein, sind jedoch nicht hierauf beschränkt. Die Sensoren 28a, 28b, 28c sind in elektrischer Verbindung mit dem Steuersystem 30. Die Hall-Sensoren 28a, 28b, 28c liefern diskrete Signale, die die Zustände des Motors 10 anzeigen, zu dem Steuersystem 30, um die Position des Rotors 14 mit Bezug auf den Stator 12 anzuzeigen. Das Steuersystem 30 ist auch mit einer Spannungsquelle (nicht gezeigt) verbunden. Die Geschwindigkeit des Motors 10 kann durch das Steuersystem 30 durch Variieren der an den Motor 10 angelegten Spannung eingestellt werden.
Bei einigen Ausführungsbeispielen steuert das Steuersystem 30 den Motorkommutationsvorgang und den zu dem Stator 12 des Motors 10 gelieferten Strom in der Weise, dass es die Position des Rotors 18 relativ zu dem Stator 12 steuert. Das Steuersystem 30 kann andere Parameter des Motors 10 verändern, einschließlich der Spannung, jedoch nicht beschränkt hierauf. Der Strom in den Statorwicklungen 26 erzeugt ein magnetisches Feld, das durch Zusammenwirken mit den Permanentmagneten 22 an dem Motormagneten 20 ein Drehmoment erzeugt, das den Rotor 18 schiebt, so dass dieser sich um die Welle 16 in eine neue Position dreht.
Bei einigen Ausführungsbeispielen enthält der Motor 10 einen im Allgemeinen zylindrischen Ringmagnet 120, der eine radial innere Oberfläche 120a und eine radial äußere Oberfläche 120b aufweist, wie in 2 gezeigt ist, mit einer Anzahl von Polen, die ein ganzzahliges (N) Mehrfaches der Anzahl von Polen auf dem Motormagneten 20 ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Ringmagnet 120 an dem Rotor 14 befestigt. Die innere Oberfläche 120a des Ringmagneten 120 ist auf der äußeren Oberfläche des Rotorkerns 18 axial neben dem Motormagneten 20 positioniert, wie in 4 gezeigt ist.
Jeder Ringmagnet 120 hat mehrere magnetische Pole 122, wobei sich ein Nordpol (N) und ein Südpol (S) abwechseln. Bei einigen Ausführungsbeispielen sind die Pole 122 jeweils von gleicher Größe und gleicher Form. Bei einem Ausführungsbeispiel hat der Ringmagnet 120 beispielsweise 20 Magnetpole, und der Motormagnet 10 hat 10 Pole. Jedoch ist darauf hinzuweisen, dass der Ringmagnet 120 jedes ganzzahlige (N) Mehrfache der Anzahl von Polen des Motormagneten 20 haben kann (d. h., Pole des Ringmagneten = N·Pole des Motors, wobei N eine ganze Zahl größer als 1 ist).
Durch Erhöhen der Anzahl von Polen 122 auf dem Ringmagneten 120 im Vergleich zu dem Motormagneten 20 besteht nicht mehr eine Eins-zu-Eins-Beziehung zwischen dem Hall-Zustand (d. h., H1, H2, H3) und der Phasenspannung. Beispielsweise kann für einen Ringmagneten 120 mit der zweifachen Anzahl von Polen als der des Motormagneten 20 ein Hall-Zustand zwei möglichen Phasenkombinationen entsprechen, wie in 5 gezeigt ist. Daher muss, um die Position des Motors 10 zu bestimmen, das Steuersystem 30 berücksichtigen, welche Ringperiode des Motors in Betrieb ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel führt das Steuersystem 30 ein Verfahren zum Steuern der Position des Motors 200 durch, das die Schritte enthält: Zuführen eines Stroms zu dem Motor 202, Bestimmen, ob das von dem Motor 10 erzeugte Drehmoment in positiver oder negativer Richtung ist 204, Bestimmen eines Multiplikators auf der Grundlage der Richtung des Drehmoments 206, Multiplizieren des zugeführten Stroms mit dem Multiplikator 208, Implementieren einer Kommutationsfolge, die Strom zu dem Motor liefert 210, und Messen des Stroms in jeder der mehreren Wicklungen 212, wie in 6 gezeigt ist. Bei einigen Ausführungsbeispielen implementiert das Steuersystem 30 weiterhin den Schritt des Einstellens des zu dem Motor 10 gelieferten Stroms, um die Position des Motors zu steuern 214.
Um die Position des Rotors 18 zu steuern, muss das Steuersystem 30 berücksichtigen, welche Ringperiode des Motors 10 in Betrieb ist, und somit eine Eins-zu-Eins-Beziehung zwischen dem Hall-Zustand und den Phasenspannungen schaffen. Wenn ein Ringmagnet die gleiche Anzahl von Polen wie der Motormagnet hat, dann gibt es eine Ringperiode während einer elektrischen Periode. Durch Erhöhen der Anzahl von Polen 122 auf dem Ringmagneten 120 nimmt die Anzahl von Ringperioden pro elektrischer Periode zu. Beispielsweise führt ein Ringmagnet 21 mit der zweifachen Anzahl von Polen gegenüber einem Motormagneten 20 zu zwei Ringperioden in einer elektrischen Periode, wie in 7 gezeigt ist. Bei einem Ausführungsbeispiel liefert das Steuersystem 30 durch Berücksichtigen, welche Ringperiode des Motors 10 aktiv oder in Betrieb ist, das Steuersystem 30 einen positiven Stromeinstellpunkt zu dem Motor 10, was zu einem positiven Drehmoment über die gesamte elektrische Periode des Motors 10 führt, und liefert entsprechend einen negativen Stromeinstellpunkt, was zu einem negativen Drehmoment über die vollständige elektrische Periode des Motors 10 führt. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann das Steuersystem 30 verschiedene Parameter des Motors 10 einschließlich der Spannung, aber nicht hierauf beschränkt, steuern.
Ein Verfahren zum Steuern des Stroms des Motors 300 ist in 8 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel bestimmt die Ringperiode des Motors 10 das Vorzeichen (d. h., negativ oder positiv) eines Multiplikators, der in einem Multiplikatormodul 306 verwendet wird. Wenn das Steuersystem 30 einen gesetzten Strom i_set zu dem Motor 10 liefert, verwendet das Steuersystem 30 ein Rückkopplungsmodul 304, um den zu dem Motor 10 gelieferten Strom auf der Grundlage der von den Hall-Sensoren empfangenen Signale i_meas einzustellen. Als Nächstes multipliziert das Multiplikatormodul 306 das Ausgangssignal des Rückkopplungsmoduls 304 mit einem Multiplikator, der davon abhängt, welche Ringperiode des Motors 10 aktiv ist. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Multiplikator für die erste Ringperiode gleich 1 und für die zweite Ringperiode gleich –1. Das Multiplikatormodul 306 liefert ein Stromsignal zu einem Kommutationsmodul 308 in der gewünschten positiven oder negativen Richtung. Beispielsweise muss ein Motor 10 mit einem Ringmagneten 120, der die zweifache Anzahl von Polen mit Bezug auf den Motormagneten 20 hat, um ein positives Drehmoment für den Motor 10 zu erzielen, in der zweiten Periode des Ringmagneten 120 einen negativen Strommesswert haben, und muss in der ersten Periode einen positiven Strommesswert haben, oder umgekehrt. Das Kommutationsmodul 308 liefert dann einen elektrischen Strom mit der korrekt umgeschalteten Folge und Richtung zu dem Motor 10, um den Motor 10 zu steuern. Das Steuersystem 30 empfängt als Nächstes Signale von Hall-Sensoren über die gemessenen Stromwerte 310 und verwendet in einem zweiten Multiplikatormodul 312 den Multiplikator 312 und die gemessenen Stromwerte i_meas 310, um einen eingestellten Strommesswert zu dem Rückkopplungsmodul 308 zu liefern, um den zu dem Motor 10 gelieferten Strom zu steuern.
Bei einem anderen, in 9 dargestellten Ausführungsbeispiel, führt das Steuersystem 30 ein Verfahren zum Steuern des Stroms des Motors 400 durch. In dem Verfahren liefert das Steuersystem 30 einen Strom i_set 402 zu dem Multiplikatormodul 404. Das Multiplikatormodul 404 multipliziert den gesetzten Strom i_set mit einem Multiplikator in Abhängigkeit von der Ringperiode, in der der Motor 10 aktiv ist. Das Multiplikatormodul 404 liefert ein Stromsignal zu einem Rückkopplungsmodul 406, das die gewünschte positive oder negative Richtung abhängig von der Ringperiode, in der der Motor aktiv ist, hat. Das Rückkopplungsmodul 406 verendet eine Rückkopplungssteuerung zum Einstellen des zu dem Motor 10 gelieferten Stroms auf der Grundlage der von den Hall-Sensoren empfangenen Signale i_meas. Das Kommutationsmodul 408 liefert dann einen elektrischen Strom zu dem Motor 10 in der korrekt umgeschalteten Folge und Richtung, um den Motor 10 zu steuern. Das Steuersystem 30 empfängt als Nächstes Signale der gemessenen Stromwerte 410 von den Hall-Sensoren. Das Steuersystem 30 gibt dann die gemessenen Stromwerte 410 zurück in das Rückkopplungsmodul 404 ein, um die Position des Motors 10 auf der Grundlage der gemessenen Stromwerte i_meas zu steuern und einzustellen. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Multiplikator für die erste Ringperiode gleich 1 und für die zweite Ringperiode gleich –1.
Bei einigen Ausführungsbeispielen enthält, wie vorstehend diskutiert ist, das Steuersystem 30 ein Rückkopplungsmodul 304, 406. Das Rückkopplungsmodul 304, 406 setzt den zu dem Motor 10 gelieferten Strom auf der Grundlage der gemessenen Stromwerte i_meas und stellt diesen ein. Ein nicht beschränkendes Beispiel für ein Rückkopplungsmodul 304, 406 enthält eine Proportional-Integral(PI)-Ausgangssteuervorrichtung. Andere Rückkopplungsmodule können andere Steuerverfahren verwenden, enthaltend eine Modellvorhersagesteuerung, eine Hysteresesteuerung und eine Proportional-Integral-Differenzialsteuerung, jedoch nicht beschränkt hierauf. Proportional-Integral-Differenzial(PID)-Steuervorrichtungen stellen typischerweise iterativ einen oder mehrere Parameter des Motors 10 (z. B. Strom, Spannung, usw.) ein, um korrekt eine Differenz (z. B. Fehler) zwischen einer gemessenen Prozessvariablen und einem gewünschten Einstellpunkt durch Bestimmen einer korrigierenden Aktion, die den Prozess einstellt, zu minimieren.
Bei einigen Ausführungsbeispielen bestimmt das Steuersystem 30 die Richtung des Drehmoments des Motors 204, um zu bestimmen, welche Ringperiode des Motors aktiv ist. Der Schritt des Bestimmens, ob das Drehmoment positiv oder negativ ist 204, enthält das Bestimmen der Anzahl von Ringperioden 502 und das Verhältnis der Anzahl von Polen des Ringmagneten zu der Anzahl der Pole des Motormagneten 504. Ein Verfahren des Bestimmens, ob das Drehmoment positiv oder negativ ist 204, ist in 10 dargestellt. Das Steuersystem 30 implementiert das Verfahren 204 durch Verwendung der bekannten Anzahl von Ringperioden 502 und des Teilens von dieser durch das Verhältnis der Anzahl von Polen auf dem Ringmagneten zu der Anzahl der Pole auf dem Motormagneten 504 oder der Durchführung einer Modulusfunktion 506. Nachdem die Ringperiode bestimmt ist 506, verwendet das Steuersystem 30 die Multiplikatoren, die mit jeder Ringperiode 508, 510 assoziiert sind, zum Steuern des zu dem Motor gelieferten Stroms 300, 400. Beispielsweise ist bei einem Ausführungsbeispiel der Multiplikator für die erste Ringperiode gleich 1 und für die zweite Ringperiode gleich –1.
Wenn das Steuersystem 30 und der Motor 10 initialisiert sind, ist unbekannt, welche Ringperiode des Motors 10 aktiv ist. Daher ist unbekannt, welcher Wert des Multiplikators (d. h., 1 oder –1) für eine Ringperiode zu den Multiplikatormodulen 306, 404 ausgegeben werden sollte, was zu einer unbekannten Richtung des Drehmoments führt, wenn der Strom anfänglich zu dem Motor 10 geliefert wird. Wenn beispielsweise der Ringmagnet 21 die zweifache Anzahl von Polen wie der Motormagnet 20 hat, kann ein positiver Strom sowohl zu einem positiven als auch einem negativen Drehmoment führen. Daher führt das Steuersystem 30 einen Erfassungsalgorithmus während des Starts des Motors 10 und des Steuersystems 30 durch, um das Vorzeichen der Verstärkung (d. h., des Multiplikators) des Steuersystems 30 zu identifizieren.
Der Erfassungsalgorithmus 600 kann sich auf verschiedene Verfahren stützen, um zu identifizieren, ob das durch einen gesetzten Strom i_set erzeugte Drehmoment in einer positiven oder einer negativen Richtung ist, und somit das Vorzeichen der Verstärkung des Steuersystems 30. Hierdurch liefert das Steuersystem 30 nach der Initialisierung einen gesetzten Strom i_set zu dem Motor 602 und eine anfängliche Änderung der Richtung des Drehmoments des Motors wird erfasst 604. Der Strom, bei dem die Richtung des Drehmoments des Motors 10 sich ändert, ist äquivalent dem Umstand, in welchem der Motor 10 in eine andere Ringperiode eintritt 606, wie in 11 dargestellt ist. Die Änderung der Richtung des Drehmoments kann unter Verwendung verschiedener Verfahren erfasst werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel erfasst das Steuersystem 30 die Richtungsänderung des Drehmoments unter Verwendung eines Beschleunigungserfassungsverfahrens 700, wie in 12 dargestellt ist. Das Beschleunigungserfassungsverfahren 700 ist ein schnelles Verfahren, das eine direkte Beziehung zwischen der erfassten Beschleunigung und der Richtung des erzeugten Drehmoments liefert. Das Beschleunigungserfassungsverfahren 700 liefert eine augenblickliche Erfassung ohne die Notwendigkeit des Wartens, bis ein stabiler Zustand durch den Motor 10 oder das Steuersystem 30 erreicht ist. Mehrere Algorithmen können verwendet werden, um die Beschleunigung des Motors 10 zu erfassen, enthaltend einen Kalman-Filteralgorithmus, eine Differentiation, Kurvenanpassungen, usw., aber nicht beschränkt hierauf. Bei einigen Ausführungsbeispielen werden die Hall-Sensoren 28a, 28b, 28c verwendet, um die Position des Motors 702 zu erfassen, und die Beschleunigung wird auf der Grundlage der von den Sensoren 704 gelieferten Positionsinformationen geschätzt. Bei einigen Ausführungsbeispielen werden Codierer (nicht gezeigt) verwendet, um die Position des Motors 10 zu bestimmen, und werden verwendet, um die Beschleunigung zu schätzen. Das Steuersystem 30 erfasst die Richtungsänderung des Drehmoments unter Verwendung einer begrenzten Anzahl von Abtastungen der Motorposition. Ein Maß für die Motorgeschwindigkeit wird dann durch Differentiation erhalten 706. Eine lineare Kurvenanpassung wird bei der Geschwindigkeitsschätzung derart durchgeführt, dass die Neigung dieser linearen Anpassung die Motorbeschleunigung bestimmt 708 und das System die Beschleunigungsänderung mit der Drehmomentrichtung korreliert 710.
Bei einem Ausführungsbeispiel erfasst das Steuersystem 30 die Änderung der Drehmomentrichtung unter Verwendung eines Motorgeschwindigkeits-Erfassungsverfahrens 800, wie in 13 dargestellt ist. Das Motorgeschwindigkeits-Erfassungsverfahren 800 ist ein langsames, aber robustes Verfahren. Das Motorgeschwindigkeits-Erfassungsverfahren 800 erfasst eine Drehung des Motors 10 in der umgekehrten Richtung. Bei einigen Ausführungsbeispielen werden die Hall-Sensoren verwendet, um die Position des Motors 802 zu erfassen. Bei einigen Ausführungsbeispielen werden Codierer (nicht gezeigt) verwendet, um die Position des Motors 10 zu erfassen. Ein Maß für die Geschwindigkeit des Motors wird dann durch Differentiation erhalten 804. Nachdem eine Umkehrung der Drehung erfasst wurde 806, bestimmt das Steuersystem 30, dass das Vorzeichen der Verstärkung ebenfalls umgekehrt wurde 808, und somit ist der Motor in eine neue Ringperiode eingetreten. Das Motorgeschwindigkeits-Erfassungsverfahren 800 erfordert, dass der Motor 10 bereits eine gewisse Zeit gelaufen ist, bevor der Motor 10 beginnt, sich in der umgekehrten Richtung zu drehen.
Bei einigen Ausführungsbeispielen erfasst das Steuersystem 30 die Änderung der Drehmomentrichtung unter Verwendung eines Motorpositions-Überwachungsverfahrens 900, wie in 14 dargestellt ist. Das Motorpositions-Überwachungsverfahren 900 initiiert eine Drehung des Motors 902, und wenn der Motor beginnt, sich in entgegengesetzter Richtung zu drehen 904, kann die Position des Motors erfasst werden 906 und das Steuersystem 30 bestimmt die Position, wenn sich das Vorzeichen der Verstärkung umgekehrt hat 908. Bei einigen Ausführungsbeispielen werden die Hall-Sensoren 28a, 28b, 28c verwendet, um die Position des Motors 10 zu erfassen. Bei einigen Ausführungsbeispielen werden Codierer (nicht gezeigt) verwendet, um die Position des Motors 10 zu erfassen.
Nachdem eine Verstärkung mit umgekehrtem Vorzeichen durch die vorstehend diskutierten Verfahren 700, 800, 900 erfasst wurde, kann das Steuersystem 30 das Vorzeichen des Multiplikators entsprechend ändern.
Nachdem das Steuersystem 30 bestimmt hat, welche Ringperiode des Motors 10 aktiv ist, d. h., welcher Multiplikator zu verwenden ist, kann das Steuersystem 30 die vorstehend diskutierten Verfahren 300, 400 verwenden, um die Position des Rotors 18 unter Verwendung des Stroms oder anderer Motorparameter steuern.
Gemäß den Vorschriften der Patentgesetze wurde die vorliegende Erfindung dadurch, was als ihre bevorzugten Ausführungsbeispiele darstellend angesehen wird, beschrieben. Jedoch ist festzustellen, dass die Erfindung in anderer Weise ausgeführt werden kann als dadurch, was als spezifisch illustriert und beschrieben wurde, ohne ihren Geist oder Bereich zu verlassen.

Claims

Bürstenloser Gleichstrommotor, welcher aufweist: ein Steuersystem; einen Rotor, enthaltend: einen Rotorkern mit einer radial inneren Oberfläche und einer radial äußeren Oberfläche; eine Welle, die antriebsmäßig mit dem Rotorkern verbunden ist,; und einen Motormagneten mit einer radial äußeren Oberfläche, einer radial inneren Oberfläche und mehreren einander abwechselnden magnetischen Polen auf diesem, wobei der Motormagnet auf der radial äußeren Oberfläche des Rotorkerns positioniert ist; einen Stator mit einem mittleren ringförmigen Bereich, der eine Öffnung definiert, einem äußeren ringförmigen Bereich, mehreren Polarmen mit radialen Wicklungen auf diesen und einem Satz von Sensoren in elektrischer Verbindung mit dem Steuersystem, wobei die Polarme sich von dem mittleren ringförmigen Bereich zu dem äußeren ringförmigen Bereich erstrecken, und wobei die Sensoren sich von dem mittleren ringförmigen Bereich zu dem äußeren ringförmigen Bereich erstrecken; und einen Ringmagneten, der axial benachbart dem Motormagneten auf dem Rotor befestigt ist und mehrere einander abwechselnde magnetische Pole hat, wobei die Anzahl von Polen auf dem Ringmagneten ein ganzzahliges Mehrfaches der Anzahl von Polen auf dem Motormagneten ist.
Bürstenloser Gleichstrommotor nach Anspruch 1, bei dem die Sensoren Hall-Sensoren sind.
Bürstenloser Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 und 2, bei dem die ganze Zahl gleich 2 ist.
Bürstenloser Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 2 und 3, bei dem die Hall-Sensoren in Umfangsrichtung in gleichen gegenseitigen Abständen angeordnet sind, wobei jeder Hall-Sensor in in Umfangsrichtung gleichen Abständen zwischen zwei Polarmen angeordnet ist.
Verfahren zum Steuern einer Position eines Rotors eines bürstenlosen Gleichstrommotors, welches Verfahren aufweist: Bereitstellen eines bürstenlosen Gleichstrommotors enthaltend einen Rotor, einen Stator, einen Motormagneten mit einer Anzahl von magnetischen Polen auf diesem, der an dem Rotor befestigt ist, und einem Ringmagneten, der an dem Rotor axial benachbart dem Motormagneten befestigt ist und eine Anzahl von magnetischen Polen auf diesem hat, wobei der Stator mehrere Wicklungen und mehrere Sensoren enthält, und wobei die Anzahl von Polen des Ringmagneten das Zweifache der Anzahl von Polen auf dem Motormagneten ist; Liefern eines anfänglichen Stroms zu dem Motor; Bestimmen, ob das von dem Motor erzeugte Drehmoment in einer positiven oder einer negativen Richtung ist; Bestimmen eines Multiplikators auf der Grundlage der Richtung des Drehmoments; Multiplizieren des anfänglich zugeführten Stroms mit dem Multiplikator; Implementieren einer Kommutationsfolge zum Liefern von Strom zu dem Motor; und Messen des Stroms in jeder der mehren Wicklungen.
Verfahren zum Steuern einer Position eines Rotors eines bürstenlosen Gleichstrommotors nach Anspruch 5, weiterhin aufweisend den Schritt des Einstellens des zu dem Motor gelieferten Stroms auf der Grundlage des gemessenen Stroms in jeder der mehreren Wicklungen.
Verfahren zum Steuern einer Position eines Rotors eines bürstenlosen Gleichstrommotors nach einem der Ansprüche 5 und 6, bei dem der Schritt des Bestimmens, ob das erzeugte Drehmoment in der positiven oder der negativen Richtung ist, das Bestimmen, welche Ringperiode des Motors aktiv ist, enthält.
Verfahren zum Steuern einer Position eines Rotors eines bürstenlosen Gleichstrommotors nach einem der Ansprüche 6 und 7, bei dem der Schritt des Einstellens des zu dem Motor gelieferten Stroms die Verwendung einer Proportional-Integral-Steuerung zum Einstellen des Stroms enthält.
Verfahren zum Steuern einer Position eines Rotors eines bürstenlosen Gleichstrommotors nach einem der Ansprüche 5 bis 8, weiterhin aufweisend den Schritt des Bestimmens der Position des Rotors auf der Grundlage des gemessenen Stroms und des Multiplikators.
Verfahren zum Steuern einer Position eines Rotors eines bürstenlosen Gleichstrommotors nach einem der Ansprüche 5 bis 9, bei dem der Multiplikator einen Wert von entweder 1 oder –1 hat.
Verfahren zum Steuern einer Position eines Rotors eines bürstenlosen Gleichstrommotors nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem der Schritt des Bestimmens, welche Ringperiode des Motors aktiv ist, das Korrelieren einer Richtungsänderung des von dem Motor erzeugten Drehmoments zu dem Eintritt des Motors in eine neue Ringperiode enthält.
Verfahren zum Steuern einer Position eines Rotors eines bürstenlosen Gleichstrommotors nach Anspruch 11, bei dem das Korrelieren einer Richtungsänderung des von dem Motor erzeugten Drehmoments zu dem Eintritt des Motors in eine neue Ringperiode die Verwendung einer Beschleunigungserfassung enthält.
Verfahren zum Steuern einer Position eines Rotors eines bürstenlosen Gleichstrommotors nach einem der Ansprüche 11 und 12, bei dem das Korrelieren einer Richtungsänderung des von dem Motor erzeugten Drehmoments zu dem Eintritt des Motors in eine neue Ringperiode die Verwendung einer Motorgeschwindigkeitserfassung enthält.
Verfahren zum Steuern einer Position eines Rotors eines bürstenlosen Gleichstrommotors nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem das Korrelieren einer Richtungsänderung des von dem Motor erzeugten Drehmoments zu dem Eintritt des Motors in eine neue Ringperiode die Verwendung einer Motorpositionsüberwachung enthält.