BENZING, Wolfgang (Friedenfelser Strasse 24, Marktredwitz, 95615, DE)
FRITSCH, Wilfried (Friedenfelser Strasse 24, Marktredwitz, 95615, DE)
DOLLINGER, Manfred (Friedenfelser Strasse 24, Marktredwitz, 95615, DE)
BENZING, Wolfgang (Friedenfelser Strasse 24, Marktredwitz, 95615, DE)
FRITSCH, Wilfried (Friedenfelser Strasse 24, Marktredwitz, 95615, DE)
Ansprüche
1. Permanentmagnet-Synchronmotor (1), aufweisend
• einen mehrere Permanentmagnete (20, 21) tragenden Rotor (10),
• einen den Rotor (10) umgebenden Stator (30) mit Statorwicklungen, sowie
• eine Steuerschaltung (5), welche den Statorwicklungen einen zeitveränderlichen Strom zuführt, wobei die Steuerschaltung (5) dazu ausgebildet ist, eine durch den Rotor (10) in die Statorwicklungen induzierte Gegenspannung zu ermitteln, auf Basis der ermittelten Gegenspannung die Winkellage (γ) des Rotors (10) zu bestimmen und in Abhängigkeit von der ermittelten Winkellage (γ) des Rotors (10) die Statorwicklungen anzusteuern, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (10) derart ausgebildet ist, dass die in die Statorwicklungen induzierte Gegenspannung einen im wesentlichen sinusförmigen Verlauf aufweist.
2. Permanentmagnet-Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (20, 21) innerhalb des Rotors (10) angeordnet sind.
3. Permanentmagnet-Synchronmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (10) im Umfangsbereich sich in Axialrichtung erstreckende Ausnehmungen (13, 14) aufweist, in denen die Permanentmagnete (20, 21) angeordnet sind.
4. Permanentmagnet-Synchronmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (20, 21) einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen bzw. quaderförmig sind.
5. Permanentmagnet-Synchronmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (13, 14) zur Aufnahme der Permanentmagnete (20, 21) an den Längsseiten der Permanentmagnete (20, 21) Aussparungen (I Ia, 12a) aufweisen.
6. Permanentmagnet- Synchronmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (13a, 14a) halbkreisförmig sind.
7. Permanentmagnet-Synchronmotor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (10) im Außenumfangsbereich zwischen den Magneten (20, 21) befindliche Ausnehmungen (15) aufweist.
8. Permanentmagnet-Synchronmotor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (20, 21) sich in Axialrichtungen gesehen lediglich über einen Teilbereich des Rotors (10) erstrecken.
9. Permanentmagnet-Synchronmotor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (10) aus einer Vielzahl von in Axialrichtung hintereinander angeordneten Blechen (11) besteht.
10. Permanentmagnet-Synchronmotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bleche (11) aus einem magnetfluß-leitenden Material bestehen.
1 1. Permanentmagnet-Synchronmotor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorwicklungen auf eine Vielzahl von Statornuten (32) verteilt sind.
12. Permanentmagnet-Synchronmotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorwicklungen zu Vierer-Gruppen parallel geschaltet sind. |
Permanentmagnet-Svnchronmotor
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Permanentmagnet-Synchronmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , bei dem eine sog. sensorlose Steuerung vorgesehen ist.
Permanentmagnet-Synchronmotoren (PSM) finden in letzter Zeit im Vergleich zu herkömmlichen Schrittmotoren zunehmend Verwendung, da sie die Anforderungen nach einer hohen Zuverlässigkeit, einer hohen Leistungsdichte, einem hohen Wirkungsgrad und einem ruhigen Lauf besser erfüllen. Während bei herkömmlichen Schrittmotoren die Richtungsumschaltung des Stroms für die Statorwicklungen unabhängig von der Lage des Rotors bzw. der Lage der an dem Rotor vorgesehenen Permanentmagnete erfolgt, wird beim Synchronmotor synchron zum Rotor weitergeschaltet. Aufgrund der Orientierung am Rotormagnetfeld erlaubt daher der Synchronmotor den Einsatz höherer Drehmomente und damit eine höhere Dynamik. Auch die Drehzahlbereiche, in denen Synchronmotoren eingesetzt werden können, sind im Vergleich zu Schrittmotoren deutlich größer.
Ein klassischer Permanentmagnet-Synchronmotor besteht aus einem metallischen Rotor, der die Permanentmagnete trägt, sowie einem Stator, der die Wicklungen beherbergt. üblicherweise ist der Motor als Drehstrommotor ausgeführt, wobei die Wicklungen zu drei Phasen in Stern oder Dreieck geschaltet sind.
Um sicherzustellen, dass der Synchronmotor tatsächlich synchron zum Rotor weitergeschaltet wird, ist eine im Vergleich zu einem Schrittmotor aufwendigere elektronische Kommutierung der Phasen erforderlich, da die Kommutierung möglichst genau an die Rotorlage angepasst werden muss. Diese Vorgehensweise wird üblicherweise als Feldorientierung bezeichnet (FOC bzw. Field Oriented Control), weil mit der Lage des Rotors auch die Lage des Magnetfelds erfasst wird und die geeignete Bestromung der Statorwicklung eingestellt werden kann. In der Vergangenheit wurden hierzu in erster Linie spezielle Lagesensoren eingesetzt, um die Rotorlage zu erfassen. Insbesondere ist hierbei der Einsatz sog. Hall-Sensoren oder Resolver bekannt.
Da durch den Einsatz zusätzlicher Sensoren allerdings die Anzahl der Bauelemente für den Motor erhöht wird, wurde nach Lösungen gesucht, um die Rotorlage auf anderem
Wege zu ermitteln. Hierbei wurde eine sog. sensorlose Rotorsteuerung entwickelt, die darauf beruht, dass die durch die Rotormagnete in die Statorwicklungen induzierte Spannung, welche oftmals auch als elektromotorische Kraft bzw. Back EMF oder Gegenspannung bezeichnet wird, zur Lageerfassung des Rotors herangezogen wird. Diese Vorgehensweise beruht also darauf, dass die sich mit dem Rotor drehenden Permanentmagneten in die Statorwicklungen eine Spannung induzieren, deren Form bzw. Verlauf Auskunft über die Winkellage des Rotors gibt. Da bei dieser Vorgehensweise die Rotorlage ausschließlich durch die an den Wicklungen anliegende Spannung bzw. den Verlauf des Wicklungsstroms erfasst werden kann, kann auf den Einsatz separater Sensoren verzichtet werden.
Fig. 9 zeigt den typischen Verlauf der Gegenspannung bei einem herkömmlichen Permanentmagnet-Synchronmotor, wie er heutzutage eingesetzt wird. Der Verlauf der Gegenspannung erinnert im weiteren Sinne an einen sinusförmigen Verlauf, wobei allerdings in den Bereichen der Maxima und Minima Bereiche bzw. Plateaus vorliegen, in denen die Gegenspannung nahezu konstant ist. Hierbei ergibt sich das Problem, dass in diesen Bereichen keine eindeutige Differenzierung möglich ist, was wiederum bedeutet, dass die Winkellage des Rotors nur mit einer begrenzten Genauigkeit bestimmt werden kann. Dies hat letztendlich zur Folge, dass eine Anpassung bzw. synchrone Ansteuerung der Wicklungen zur Rotorlage nur begrenzt möglich ist, weshalb sich sensorlose Motoren bislang lediglich in einem gewissen Umfang durchsetzen konnten.
Der vorliegenden Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, bekannte Permanentmagnet-Synchronmotoren mit einer sensorlosen Steuerung derart weiter zu entwickeln, dass eine genauere Ansteuerung der Wicklungen synchron zur Rotorlage ermöglicht ist und dementsprechend die Einsatzmöglichkeiten eines derartigen Motors insgesamt erweitert werden.
Die Aufgabe wird durch einen Permanentmagnet- Synchronmotor, welcher die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Idee, den Motor derart weiter zu entwickeln, dass im Rahmen der sensorlosen Steuerung eine genauere Ermittlung der Winkellage des Rotors ermöglicht ist. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Rotor in spezieller Weise ausgebildet ist, insbesondere derart, dass die in die Statorwicklungen induzierte Gegenspannung nun einen im wesentlichen sinusförmigen Verlauf aufweist.
Erfindungsgemäß wird also speziell die Ausgestaltung des Rotors derart beeinflusst, dass die in die Statorwicklungen induzierte Gegenspannung im Vergleich zu dem in Fig. 9 dargestellten Spannungsverlauf keine horizontalen Plateaus mehr aufweist. Stattdessen wird ein durchgängig sinusförmiger Verlauf angestrebt, der es letztendlich ermöglicht, in sämtlichen Positionen des Rotors dessen Winkellage mit einer hohen Genauigkeit zu bestimmen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird deshalb ein Permanentmagnet- Synchronmotor vorgeschlagen, der einen mehrere Permanentmagnete tragenden Rotor, einen den Rotor umgebenden Stator mit Statorwicklungen sowie eine Steuerschaltung aufweist, welche den Statorwicklungen einen zeitveränderlichen Strom zuführt, wobei die Steuerschaltung dazu ausgebildet ist, eine durch den Rotor in die Statorwicklungen induzierte Gegenspannung zu ermitteln, auf Basis der ermittelten Gegenspannung die Winkellage des Rotors zu bestimmen und in Abhängigkeit von der ermittelten Winkellage des Rotors die Statorwicklungen anzusteuern, und wobei der Rotor derart ausgebildet ist, dass die in die Statorwicklungen induzierte Gegenspannung einen im wesentlichen sinusförmigen Verlauf aufweist.
Die Art und Weise der Ausgestaltung des Rotors, durch die diese erfindungsgemäße Maßnahme erreicht wird, ist insbesondere Gegenstand der abhängigen Ansprüche. So wird das Ziel des im wesentlichen sinusförmigen Verlauf der Gegenspannung insbesondere dadurch erzielt, dass der Rotor eine verhältnismäßig starke magnetische Asymmetrie (Reluktanz) aufweist. Dies wird durch mehrere Maßnahmen erzielt, welche nachfolgend näher erläutert werden.
So kann zunächst erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Permanentmagnete des Rotors nicht an dessen Außenumfang anliegen, sondern stattdessen innerhalb des Rotors angeordnet sind. Hierzu kann der Rotor in seinem Umfangsbereich sich in Axialrichtung erstreckende Ausnehmungen aufweisen, welche der Aufnahme der Permanentmagnete dienen. Die Ausnehmungen und damit die Permanentmagnete weisen hierbei vorzugsweise einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf, wobei jedoch besonders bevorzugt vorgesehen ist, dass an den Längsseiten der Permanentmagnete zusätzliche Aussparungen in den Ausnehmungen vorgesehen sind, welche bspw. halbkreisförmig ausgestaltet sind und der Reduzierung des magnetischen Streuflusses dienen. Die Aussparungen können ferner auch dazu dienen, Klebstoff oder eine andere Vergussmaße einzubringen, um die Magnete in einfacher Weise innerhalb des Rotors zu befestigen.
Eine weitere Maßnahme, welche entscheidend zur Ausbildung der erforderlichen Reluktanz des Rotors dient, besteht darin, dass im Außenumfangsbereich des Rotors zwischen den Magneten befindliche Ausnehmungen vorgesehen sind. Hierdurch wird die asymmetrische Impedanzverteilung des Rotors weiter erhöht, was letztendlich zur Ausbildung der gewünschten sinusförmigen Spannung beiträgt. Weiterhin kann durch die Maßnahme der Wirkungsgrad des Rotors verbessert werden, da durch das Einbringen dieser Ausnehmungen nicht nutzbare Oberwellenmomente vermieden werden. Dies führt ferner auch zu einer Reduzierung der Geräuschemission sowie zur Reduzierung der Drehmomentenwelligkeit innerhalb einer einzelnen Umdrehung des Rotors.
Der Rotor selbst besteht vorzugsweise aus einer Vielzahl von in Axialrichtung hintereinander angeordneten Blechen, welche insbesondere aus einem magnetflussleitenden Material bestehen. Diese Bleche können dann jeweils die zuvor angesprochenen Ausnehmungen zur Aufnahme der Permanentmagnete sowie die Ausnehmungen im Umfangsbereich aufweisen. Stirnseitig können allerdings Bleche eingesetzt werden, bei denen auf die Ausnehmungen für die Magneten verzichtet wurde, so dass letztendlich jeder Magnet vollständig von den Blechen eingeschlossen wird.
Eine zusätzliche Weiterbildung kann ferner darin bestehen, dass sich die Magnete in Axialrichtung lediglich über einen Teilbereich des Rotors erstrecken. Dies ermöglicht es, die magnetischen und elektrischen Eigenschaften des Rotors bedarfsgerecht an die Geometrie des Luftspalts zwischen dem Rotor und dem Stator anzupassen. Letztendlich führt dies dazu, dass der nutzbare Drehzahlbereich des Motors erhöht wird und eine verbesserte Drehmomentausbeute bei hohen Drehzahlen erzielt werden kann.
Die bisher angesprochenen Maßnahmen zur Verbesserung des sensorlosen Permanentmagneten-Synchronmotors betrafen primär die Ausgestaltung des Rotors. Allerdings können auch am Stator zusätzliche Maßnahmen vorgesehen sein, um den angestrebten sinusförmigen Verlauf der Gegenspannung zu fördern. Hierbei kann insbesondere zunächst vorgesehen sein, die Statorwicklungen auf eine Vielzahl von Statornuten zu verteilen. Idealerweise ist hierbei wiederum eine sinusförmige Induktivitätsverteilung der Pol Wicklungen vorgesehen, was zu einer weiteren Verbesserung des Zusammenspiels zwischen Stator und Rotor führt.
Eine weitere Maßnahme betrifft die Ausgestaltung der Statorwicklungen. Dabei ist gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, diese in Form von
Etagenwicklungen zu realisieren, wobei dann die Wicklungen jeweils in vier Gruppen parallel geschaltet sind. Diese Mehrfachparallel-Schaltung erlaubt eine höhere Strombelastung, was insbesondere zu Vorteilen bei niedrigen Betriebsspannungen des Motors fuhrt.
Letztendlich wird also ein Gesamtkonzept für einen sensorlosen Motor vorgeschlagen, der im Vergleich zu bislang realisierten Motoren deutliche Vorteil hinsichtlich seiner Betriebseigenschaften aufweist.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Permanent-
Synchronmotors;
Fig. 2 die seitliche Ansicht eines bei dem erfindungsgemäßen Motors eingesetzten Permamentmagnet-Rotors;
Fig. 3 eine Schnittdarstellung des Rotors gemäß dem Schnitt I-I in Fig. 2;
Fig. 4 die Ansicht II-II des Rotors in Fig. 2;
Fig. 5 eine Schnittdarstellung in Axialrichtung des Rotors gemäß einem ersten
Ausfuhrungsbeispiel ;
Fig. 6 eine Schnittdarstellung des Rotors in Axialrichtung gemäß einem zweiten Ausfuhrungsbeispiel;
Fig. 7a bis 7c Darstellungen unterschiedlicher Möglichkeiten zur Ausgestaltung der Statorwicklungen;
Fig. 8a die winkelabhängige Induktivität des Rotors;
Fig. 8b den sich bei dem erfindungsgemäßen Motor gebenden Verlauf der Gegenspannung und
Fig. 9 den Verlauf der Gegenspannung bei einem Motor gemäß dem Stand der
Technik.
O
Das in Fig. 1 dargestellte Blockschaltbild eines allgemein mit dem Bezugszeichen 1 versehenen erfindungsgemäßen Permanentmagneten-Synchronmotors entspricht dem klassischen Aufbau eines derartigen Motortyps. Kernelement des Motors 1 ist zunächst ein Permanentmagnet-Rotor 10, der drehbar innerhalb eines Stators 30 angeordnet ist. Der Stator 30 trägt die Statorwicklungen, welche auf eine Vielzahl von Statornuten verteilt sind und durch die Zuführung entsprechender Ströme ein sich drehendes Magnetfeld bereitstellen. Dieses wiederum wirkt mit den innerhalb des Permanentmagnet-Motors 10 angeordneten Magneten derart zusammen, dass eine Drehung des Rotors 10 erfolgt.
Die Ansteuerung der Statorwicklungen erfolgt durch eine Steuerschaltung bzw. einen Stromregler 5, der unter Berücksichtigung im zugeführter externer Signale, welche beispielsweise eine Solldrehzahl U so u für den Motor 1 oder ein gewünschtes Drehmoment vorgeben, eine ihm nachgeordnete Drehstrombrücke 6 ansteuert, welche entsprechend den Informationen des Stromreglers 5 einen zeitlich veränderlichen Statorstrom zur Verfügung stellt. Hierbei werden drei Statorwicklungen mit sinusförmigen Strömen versorgt, welche jeweils um 120° Phasen- versetzt sind. Durch den Einsatz sinusförmiger Ströme für die Statorwicklungen können dabei die Drehmomentenrippel während des Motorbetriebs vermieden werden, was zu einem ruhigeren Rotorlauf führt. Auf der anderen Seite muss die Ansteuerung der
Statorwicklungen möglichst synchron zur Rotorstellung erfolgen, was durch den Stromregler 5 sichergestellt ist.
Im Gegensatz zu Lösungen, bei denen separate Sensoren zur Ermittlung der Rotorlage vorgesehen sind, ist hierbei ein sensorloser Betrieb vorgesehen. Dies bedeutet, dass keine zusätzlichen Sensoren als Bauteile eingesetzt werden, um die Rotorlage zu bestimmen. Stattdessen wird die Winkellage γ des Rotors 10 aus der in die Statorwicklungen induzierten Gegenspannung ermittelt, welche durch das sich drehende Magnetfeld des Permanentmagnet-Rotors 10 hervorgerufen wird. Durch Auswertung dieser induzierten Gegenspannung (Back EMF) kann also die
Steuerschaltung 5 die Winkellage γ des Rotors 10 bestimmen und eine entsprechende Ansteuerung der Statorwicklungen vornehmen.
Die Besonderheit des erfindungsgemäßen Motors 1 besteht dabei darin, dass die durch den Rotor 10 induzierte Gegenspannung einen annähernd sinusförmigen Verlauf hat, was durch besondere Maßnahmen an dem Rotor 10 und dem Stator 30 bewirkt wird. Diese sollen nachfolgend näher erläutert werden, wobei zunächst die Ausgestaltung des Rotors näher besprochen und anschließend der Stator erläutert wird.
Fig. 2 zeigt zunächst eine seitliche Ansicht des Rotors 10, der mittels einer nicht näher beschriebenen Achse 7 drehbar innerhalb des Stators 30 angeordnet ist. Der Rotor 10 besteht aus einem Paket von in Axialrichtung hintereinander angeordneten Blechen 11, deren Ausgestaltung der Darstellung in Fig. 3 entnommen werden kann. Jedes Blech 11 besitzt dabei eine kreisartige Form mit einer Durchgangsöffnung I Ia zur Durchführung der Rotorachse 7.
Die grundsätzliche Ausgestaltung eines Rotors durch ein derartiges Blechpaket ist bereits hinlänglich bekannt. Eine erste Besonderheit besteht nunmehr allerdings darin, dass die Permanentmagnete 20 bzw. 21 nicht an der Außenseite des Rotors 10 angeordnet sondern stattdessen in diesem aufgenommen sind. Hierzu weisen die Bleche 11 im Umfangsbereich befindliche Ausnehmungen 13, 14 auf, welche zur Aufnahme der Magnete 20, 21 vorgesehen sind. Die Ausnehmungen 13, 14 und damit auch die Magnete 20, 21 weisen einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf, wodurch der Einsatz herkömmlicher, quaderförmiger Stabmagnete für die Permanentmagnete 20, 21 ermöglicht wird. Dies trägt zunächst zu einer kostengünstigeren Herstellung des Rotors 10 bei.
Des Weiteren besteht allerdings ein besonderer Vorteil dieser Ausgestaltung auch darin, dass durch die Anordnung der Magnete 20, 21 unterhalb der Oberfläche des
Rotors 10 die Ausbildung eines magnetischen Streuflusses, welcher den Motorbetrieb negativ beeinträchtigen könnte, reduziert wird. Hierzu trägt ferner auch bei, dass die Ausnehmungen 13, 14 zur Aufnahme der Magnete 20, 21 an ihren beiden Enden jeweils zusätzliche Aussparungen 13a, 14a aufweisen, welche gemäß der Darstellung vorzugsweise halbkreisförmig ausgebildet sind. Auch andere Formen für diese Aussparungen 13a, 14a, welche ebenfalls die Ausbildung des magnetischen Streuflusses reduzieren, wären möglich. Darüber hinaus bieten diese Aussparungen 13 a, 14a auch eine einfache Möglichkeit zur Befestigung der Magnete 20, 21, da in sie ein Klebstoff oder andere Vergussmassen eingebracht werden können, um die Magnete 20, 21 sicher innerhalb des Rotors 10 zu lagern. Eine Weitere Funktion dieser
Aussparungen 13a, 14a kann auch darin bestehen, diese optional zur Ausbildung eines Anlaufkäfigs für den Motor 1 zu nutzen. Anzumerken ist ferner, dass anstelle der dargestellten vier Permanentmagnete die Anzahl dieser auch variiert werden kann.
Um zusätzlich eine Sicherung der Magnete 20, 21 in Axialrichtung zu erhalten, sind ferner die beiden stirnseitigen Bleche 12, wie in Fig. 4 dargestellt, ohne diese Ausnehmungen 13, 14 ausgestaltet. Dementsprechend sind die Magnete 20, 21 allseitig von den Blechen 11 bzw. 12 umschlossen, so dass sie sicher innerhalb des Rotors 10 gehalten werden.
Eine weitere Besonderheit des erfindungsgemäßen Rotors 10 besteht in Ausnehmungen 15, welche im Außenumfangsbereich der einzelnen Bleche 11 angeordnet sind, insbesondere im Bereich zwischen zwei benachbarten Magneten 20, 21. Diese Ausnehmungen 15 bewirken eine Trennung zwischen einzelnen Polschuhen 16 des Rotors 10 und haben zur Folge, dass der Rotor 10 eine starke magnetische Asymmetrie zwischen der Querinduktivität L q und der Längsinduktivität L d aufweist. Diese magnetische Asymmetrie bzw. Reluktanz des Rotors erlaubt letztendlich eine genaue Rotorlageermittlung ohne den Einsatz spezieller Sensoren. Dies kann der Darstellung in Fig. 8a entnommen werden, welche die Winkelabhängigkeit der
Induktivität des Rotors 10 zeigt. Erkennbar ist, dass diese eine sinusähnliche Form aufweist, was dann letztendlich auch zu der Generierung der angestrebten im wesentlichen sinusförmigen Gegenspannung beiträgt. Ferner kann der Darstellung in Fig. 8a entnommen werden, dass kleine Unterschiede in den aufeinander folgenden Maximal- bzw. Minimalwerten vorliegen, was auf Hystereseeffekte zurückzuführen ist und die Möglichkeit eröffnet, eindeutig zwischen Nord- und Südpol des Rotors 10 zu unterscheiden. Insbesondere bei der Drehzahl 0 und bei niedrigen Drehzahlen liefert dementsprechend diese ausgeprägte Kurvenform des Induktivitätsverlaufs ein für die Rotorlageerkennung eindeutig auswertbares Signal.
Anzumerken ist, dass die durch die Ausnehmungen 15 gebildeten Polschuhe 16 annähernd eine Kreissegmentform aufweisen, wobei allerdings das Zentrum der jeweiligen Kreisform nicht zwingend mit dem Zentrum des Rotors 10 zusammenfällt. Stattdessen besitzen die Polschuhe 16 eine etwas stärker Krümmung, was weiter zum Ausprägen der starken magnetischen Asymmetrie beiträgt.
Die Permanentmagnete 20, 21 können sich gemäß der Darstellung in Fig. 5 über die gesamte Axiallänge des Rotors 10 erstrecken. Alternativ hierzu wäre es allerdings gemäß der Darstellung in Fig. 6 auch denkbar, dass sich die Magnete 20, 21 lediglich über einen mittleren Teilbereich erstrecken. Diese spezielle Ausgestaltung hat zur
Folge, dass die Induktivität in d-Richtung weiter vergrößert wird, was von Vorteil ist, falls der Motor mit einem zusätzlichen feldbildenden Statorstrom gespeist werden soll. Durch die größere Induktivität in d-Richtung ergibt sich ein dementsprechend größerer Spannungsabfall, welcher die generatorisch erzeugte Spannung durch die Magnete 20, 21 kompensiert. Dies wiederum bedeutet, dass der Motor mit einer höheren Drehzahl betrieben werden kann, ohne dass die Stromrichterausgangsspannung erhöht werden muss. Es besteht dementsprechend die Möglichkeit, die Drehzahl des Motors über seine Bemessungsdrehzahl hinaus zu erhöhen, d.h. die Motorleistung bleibt bis zu
einem von der Auslegung des Motors abhängigen Wert konstant bei gegebener Bemessungsleistung.
Die bisherigen Maßnahmen, welche zur Ausbildung der möglichst sinusförmigen Gegenspannung beitragen, beschränkten sich auf den Rotor 10. Nachfolgend sollen nun Maßnahmen an dem Stator 30 erläutert werden, welche ebenfalls den Zweck verfolgen, die sinusförmige Zusammenwirkung und damit eine verbesserte sensorlose Steuerung zu unterstützen.
Eine erste Maßnahme besteht hierbei in einer Verteilung der Statorwicklung auf mehrere Nuten bzw. Polzähne, was zu einem näherungsweise sinusförmigen Feldverlauf des durch die Statorwicklungen gebildeten Magnetfelds führt. Hierbei besteht die Möglichkeit, die Wicklung in Serie oder in zwei Gruppen parallel zu schalten, wie den Darstellungen in den Fig. 7a und 7b entnommen werden kann. Beide Figuren zeigen schematisch den Verlauf der drei Statorwicklungen in den zwischen den Zähnen 31 gebildeten Statornuten 32. Fig. 7a zeigt dabei eine Serienschaltung, während hingegen die Wicklungen bei dem Schema gemäß Fig. 7b in zwei Gruppen parallel geschaltet sind.
Bei dem erfindungsgemäßen Motor besteht nunmehr die Möglichkeit, die Wicklungen in Serie oder zwei Gruppen parallel zu schalten. Darüber hinaus besteht eine besonders bevorzugte und in Fig. 7c dargestellte Variante darin, die Wicklungen in vier Gruppen parallel zu schalten. Das sich hierbei ergebende Wicklungsschema hat zur Folge, dass sich die Windungszahl pro Nut vervielfacht. Dies wiederum hat zur Folge, dass die Wicklungen auch für sehr kleine Spannungen - beispielsweise bei einem Batteriebetrieb - genau ausgeführt werden können.
In vorteilhafter Weise erfolgt die Anordnung der Wicklungen ferner in Etagen, was zur Folge hat, dass sich gegenüber herkömmlichen Anordnungen in zwei Etagen eine kleinere mittlere Wicklungslänge durch kürzere Stirnverbindungen ergibt. Hierdurch verringert sich der Kupferbedarf für die gesamten Statorwicklungen, was wiederum zu einer kostengünstigen Realisierung des erfindungsgemäßen Motors beiträgt.
Die Wicklungsstränge werden vorzugsweise in einer Dreiecksschaltung verschaltet. Diese Anordnung ist an sich problematisch, da sie bislang zu verhältnismäßig hohen Verlusten führte. Da gemäß der vorliegenden Erfindung das Grundfeld allerdings möglichst sinusförmig ausgestaltet ist, tritt keine dritte Oberwelle in der Spannung auf, was zur Folge hat, dass zusätzliche Verluste, welche durch zusätzliche Kreisströme hervorgerufen werden könnten, vermieden werden. Die Bemessungsleistung des Motor
muss dementsprechend nicht reduziert werden, was zur Folge hat, dass der Wirkungsgrad des Motors deutlich größer ist als bei einem herkömmlichen Motor, in dem sich Kreisströme ausbilden können.
Letztendlich fuhrt also die gesamte Ausgestaltung des Motors in der erfindungsgemäßen Weise dazu, dass - wie in Fig. 8b dargestellt - die durch den sich drehenden Rotor in die Statorwicklungen induzierte Gegenspannung einen annähernd sinusförmigen Verlauf hat. Dies ermöglicht im Vergleich zu dem Verlauf der Gegenspannung gemäß dem Stand der Technik von Fig. 9 eine bei jeder Drehzahl und Stellung des Rotors deutlich präzisere Ermittlung der Rotorwinkellage und dementsprechend eine genauere und effektivere Ansteuerung des Motors.
Durch die vorliegende Erfindung wird also ein Gesamtkonzept für einen Permanentmagnet-Synchronmotor zur Verfügung gestellt, der aufgrund seiner hervorragenden Eigenschaften und seinem optimierten Wirkungsgrad vielfältig eingesetzt werden kann. Die hierbei vorgesehenen Maßnahmen können dabei kostengünstig realisiert werden, was einen weiteren Vorteil der Erfindung darstellt.
Next Patent: PROGRAMMABLE OLIGONUCLEOTIDE SYNTHESIS