= TIERTEN, ZWEIPHASIGEN RELUKTANZMASCHINE

(19)Weltorganisation fUrgeistigesEigentum

InternationalesBuro

llllillllH

(43)Internationales Verdffentlichungsdatum (10) InternationaleVerdffentlichungsnummer

7.

Dezember

2000(07.12.2000)

PCT WO ^{00/74205 A2}

(51) InternationalePatentklassifikation⁷:

H02K

(21) Internationales Aktenzeichen: PCT/RO00/00011 (22) Internationales Anmeldedatum:

21. April2000(21.04.2000)

(25) Einreichungssprache: Deutsch

(26) VerSffentlichungssprache: Deutsch

(30) AngabenzurPriorit&t:

99-00602 26. Mai1999(26.05.1999)

RO

a2000 00432 21.April2000(21.04.2000)

RO

(71) Anmelderund

(72) Erfinder: LUNGU, Ja ncu [RO/RO]; Str. Trapezului 5-G1A,ap. 40,Bucharest3(RO).

(81) Bestimmungsstaaten (national)-. BR, CN, DE, GB, JP,

RU, US.

(84) Bestimmungsstaaten(regional):europaischesPatent(AT, BE,CH,CY,DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,IT,LU,MC, NL,FT,SE).

VerOffentlicht:

—

Ohne internationalen Recherchenbericht und erneut zu verbffentlichennach Erhalt desBerichts.

[Fortsetzungaufder ndchsten^Seite]

(54)Title:

METHOD AND

CIRCUITSFORCONTROLLING

THE POWER

OF

AN

ELECTRONICALLY SWITCHED,

TWO-

PHASE

RELUCTANCE MACHINE

=^

₍₅₄₎Bezeichnung:

VERFAHREN UND

SCHALTUNGEN

ZUR

LEISTUNGSREGELUNGEINERELEKTRONISCH

KOMMU-

=

^TIERTEN,ZWEIPHASIGEN RELUKTANZMASCHINE

<

¹²

If) ₍₅₇₎Abstract: Theinvention explainsprinciplesandcircuitsforthepowercontrolof two-phaseSR-Machinesfeaturing a direct recovery ofthephaseswitch-offenergyanda 180°phaseangleatfullload.The powercontrolreliesphysicallyon ashorter current flow(duty cycle)atthephasebeginning. Thiscanbedoneeitherthrough mechanical phaseshiftofasecondHallsensor orbyusing timedelaycircuits.

(57)Zusammenfassung:DieErfindungzeigtPrinzipienundSchaltungenzurLeistungsregelung2-phasiger,elektronischkommu-

tierterReluktanzmaschinen,die beiVolllastmiteinemelektrischenPhasenwinkelvon 180°arbeiten,wobeieine direkteRtickgewin- nungder Entmagnetisierungsenergieder

[Fortsetzungaufder ndchstenSeite]

WO ^{00/74205 A2}

Zur Erkldrung der Zweibuchstaben-Codes, und der anderen Abkurzungen wirdauf^die Erklarungen ("Guidance Notes on CodesandAbbreviations")amAnfangjederregultirenAusgabe derPCT-Gazetteverwiesen.

abgeschaltetenPhasenerfolgt. AlsphysikalischeGrundlagederLeitungsregelungdient eineVerkurziing derStromlaufzeitzum AnfangderPhase, diesowohliiber diemechanische Verschiebungeines zweiten Hallsensorsalsauchiiberelektronische Mittel (Zeitschaltungen) erfolgen kann.

Verfahren

und

Schaltungen zurLeistungsregelung einerelektronisch kornmutierten, zweiphasigen Reluktanzmaschine.

Die

Erfmdung

^betrifft elektronischkommutierte, zweiphasige Reluktanzmaschinen (Motoren

^ oder Generatoren, auch

SR

(Switched Reluctance) Maschinengenannt) die einen besonderen Magnetkreishaben, wiez.B. aus der internationalenPatentanmeldungen

WO

^96/09683 und

WO

98/23024

bekannt.

Einen solchen,trotzEinfachheitfunktionsfahigen Motorzeigt dieFig. 1.

zum

leichteren Verstandnis inkomprimierter

Form

(Magnetkreis undSchaltung).

^

_{Jedeeinzelne der acht Haupt-(112)}wie Nebenwicklungen ₍₁₁₃₎ istalseine auf

dem

skizzierten

Magnetjoch

^{1 1} angebrachteInduktivitat dargestellt.

Die Hauptstrompfade (s. "Defmitionen") sindmit Fettstrich dargestellt.

Die

einfachsteSchaltung(s. Fig.l) einesungeregelten

SR-Motors

arbeitet

im

Sinne der Erfindung, wie

vom

Stand derTechnikbekannt, miteinem Hallsensor3¹ mit zwei 15

komplementaren

"Flip-flop" open-collectorAusgangen 312,313 alsPhasensteuerung, welche

realistisch in der

Nahe

des Rotorsskizziert wurde. Die Gate-Elektroden derLeistungschalter2IX, 21Y,die z.B. iibereinenpolarisations"pull-up" Widerstand 35

Spannung bekommen,

werden wechselweise an das Minus- Potential(Ground) iiberdie Hallsensorausgangen312,313

kurzgeschlossen, so dass dadurchder Hauptstromaufhort.

Bei

einem

ungeregelten Motorwirdauf

dem

elektrischen Winkel 0° s.Fig

3

^z.B. diePhase

X

bestromt,

und

bei 180° _hortihrHauptstrom auf; gleichzeitigwird die Y-Phasebestromt,

und zwar

bis auf 360° (= 0°),wodurch der elektrische Zyklus geschlossen wird. Die Einhaltung der elektrischen Schaltpunkte, (Phasenwechsel) diederZahn- zu-Zahn-

Bewegung

des Rotors 25 entsprechen, istwichtig, damit dersich in die

Nahe kommende

Stator 11 1

und

die Rotorpole 121

wdrksam

anziehenkonnen,s.Fig 1, Phase X.

DEFINITIONEN

Der

Einfachheithalberwerden im LaufederBeschreibung die Halbleiterbauelemente wie Mosfets, IGBT's, die den Hauptstrom

von

der Stromquelle zu den

Wicklungen

leiten

30 "Leistungsschalter" genannt.

UnterHauptstrom wird

im

Sinne derErfindungderStrom verstanden, welches

von

der Quelle iibereinenLeistungsschalterinden Wicklungenfliefit. Die FlieBdauer des Hauptstromesistbei Volllast(Flip-Flop Betrieb der Leistungsschalter) derPhasendauer

T

gleich und betragtals

WO

^00/74205 PCT/RO00/00011 2

elektrischerWinkel gesehen 180°.

Der

Phasenwechsel wird mit Hilfe eines Rotorstellungsgebers 32 durchgefuhrt,welcher sich vor einen odermehreren der Rotorstellungs(Hall)sensoren 31 dreht.

Fig. 2^{zeigt eine Ubersichtder}

Anordnung

einiger erfindungsrelevanter Bauteile mit den Signalformenfur dieMotorsteuerung, die

im

Laufe derErfindung

vorkommen.

Als "Phasensteuerung" ^s.Fig. 2 werdendie Schaltungsteile verstanden diedenPhasenwechsel im Flip-Flop-

Modus

steuern. Dieser

muss

in denRotorstellungenerfolgen, in denen der

Wirkungsgrad der

Umwandlung

elektrisch/mechanischer Energiebei den vorgegebenen Betriebsparametern ^optimalist.

Obwohl

eine geringfugigeLeistungsregelung auch uberdieVerstellung der Phasensteuerung erreichbar ist, versteht

man im

Sinne dieserErfindungdarunter eineReduzierungder

Hauptstromlaufzeiten ^{iiberkiirzere} "Gate" -Impulse. Diesbedeutet dasszur Leistungsregelung die Schaltungsteile gehoren, dieaus Rotorstellungssignalen Gate-Steuerungssignale formen, die rechteckig sind

und

wenigeralsdie Phasenlange dauern, wiein Fig. 2, rechts, dargestellt.

"By-pass- Dioden" werdendie

Dioden

genannt, die die SelbstinduktionsspannungUa, diean der

Verbindung

zwischen denLeistungsschaltern

und

den Wicklungenbei derUnterbrechungdes Hauptstromesauftritt(dieEntmagnetisierungsenergie, oder by-pass-Strom) lb der

darauffolgenden Phasezuleiten. "Phasenwinkel

w"

(elektrisch

=

180°, mechanisch

=

180 : Zahl derRotorzahne), ist derRotorwinkeL welcher zwischen^zwei Phasenwechseln,d.h. zwischen zwei Schaltvorgangen derPhasensteuerung (Hallsensor) durchlaufenwird.

"Zahn-Zahn" oder "allignedposition" ist dierelativeRotor-Stator- Stellung, inwelcherderRotor 2 sich^{dreht, falls}durcheine PhasekontinuierlichGleichstrom flieBt (minimaleReluktanz).

Die Aufgabe der vorliegenderErfindung ^ist,Moglichkeiten derLeistungsregelung der^o.g. SR-

Maschinen

ohnezusatzliche,kostspielige Leistungshalbleitervorzuzeigen.

Dabei ^sollteberiicksichtigtwerden, dass derWirkxmgsgradder

Maschine

moglichsthochbleiben soil: Diesbedeutet, dasssowohl dieRiickgewinnung der Entmagnetisierungsenergie efQzient erfolgen sollte,

und

dassdieVerluste der Leistungselektronikminimiert werden.

Die

Losung

derAufgabeerfolgtnach derLehre des Hauptanspruchs. Einfache

Schaltungshinweiseund Beispiele stehen

dem Fachmann

zurWahl, damit erdiese bei der Gestaltung einergeeignetenSchaltungsvariantewie Bausteine kombiniert, urneine konkrete Zielsetzung

im

SinnederErfindung zurealisieren. Unter "Leistungsregelung" einer

SR-

Maschine, insbesondere eines Motors, versteht

man im

SinnederErfindung dieVerringerung des Hauptstromesdurch gezieltekurzzeitige SperrungderLeistungsschalter innerhalb der

Phasendauer, (des Phasenwinkels). Dies bewirktdie Verringerung des Hauptstromwinkelsauf wenigerails 180°,bzw. dassdierelativeEinschaltdauer der Leistungsschalterverkiirztwird.

Dies bedeutet, dass

zum Zwecke

der Regelungdie zwei Leistungssschalternicht

mehr

^irn Gegentakt- ("Flip-Flop")

Modus

arbeiten. Fig. 3 zeigt dierelevanten Steuerungssignale des Motors alsrechteckige (Spannungs-)Impulse.

Die entsprechenden Verlaufedes HauptstromesIp (Fettstrich) bzw. des by-pass Stromeslb (Punktlinie) sind uberlagert dargestellt. Die

Form

derImpulsein geregeltem

Modus

^istinder rechten Seite(ab360°) gezeichnet, die in ungeregeltem (Flip-Flop)

Modus

in derlinken Seite (0-180°).

Aufgrund

der

vom

Stand derTechnik bekannten Magnetkreise, welche einesehr einfache,

hocheffiziente Riickgewinnungder Entmagnetisierungsenergie_einer geradeabgeschalteten Phase

erlaubt,musste bis jetzteine verzogerungsfreie

Bestromung

derzweiten Motorphase

zum

ZeitpunktderAbschaltungder ersten erfolgen(Flip-Flop-

Modus,

"Verkettung" der Phasen tiber

denby-pass Strom).

Um

eine Leistungsregelung zu erreichen,

wurde

dort vorgeschlagen, denHauptstrom vor

dem

Phasenende zuunterbrechen.

Der

Stromflussin dieserabzuschaltenden Phase sollte bis

zum Ende

derPhasendauer durch die Ruckfiihrung der Selbstinduktionsspannung

Ua

mitHilfe zweier zusatzlicher Leistungstransistoren211 aufrechterhalten werden, s.

WO

96/09683, S.8-9, Fig. 6e.

Diese Leistungstransistoren 21 1

waren

auch

im

Falle einerRegelungdurch diebekannte Pulsbreitenmodulation notwendig.

Hatte

man

aufeinerRuckfuhrungder Selbstinduktionsspannung iiberdie Transistoren211 verzichtet, sohatte dieszu einernutzlosen Weiterleitungdes by-pass Stromeszuderanderen Phase

zum

falschenZeitpunkt gefuhrt, mit gravierenden Folgen furden Wirkungsgrad.

Ohne

zusatzlichem

Aufwand

an Leistungselektronik

war

es also bisher nichtmoglich, eineauf die Verringerung derEinschaltdauer derLeistungsschalter21 basierendeLeistungsregelung zu

erreichen.

Eineeinfachere Losung^ist nachderLehredieserErfindung moglich, auch

wenn

die "fly-back¹¹ Leistungstransistoren 211 nichtvorhandensind,

(s.WO

96/09683-Fig. 6e) die

zum Ende

der PhasendauerdieEntmagnetisierungsenergiebei derSperrung einesLeistungsschalters 2

IX

zuder Phase_(X) fuhrten,aus der diese

stammen,

wiefolgt:

Nach dem

AnlaufdesMotors, welches stets

im

"Flip-Flop-" Betriebsmodus (Fig. 3, linkeSeite) der Leistungschalter geschieht, kann derHauptstrom durch Gesperrthaltender Leistungsschalter 2IX, 21

Y

^nach

^dem

Phasenwechsel

um

eine festeodervariable Zeitspannetverzogertwerden, (s.

WO

^00/74205 PCT7RO00/00011

4

Fig.3, rechts). eine Zeitspanne, die jenach derDrehzahl desMotors einemelektrischenWinkel v entspricht.

Der

Hauptstrom ^der Phase

X

^{setzt alsonicht}

^mehr

^{bei 360°, sondern}verzogert bei 360+v°,der der

Y-Phase

bei 540+v°.

Die

Sperrung der Leistungsschalter^erfolgtnach wie vorbei nxl^80°.

Dies bedeutet, dassdas Auftreten derSelbstinduktionsspannung

Ua

(des by-pass-Stromeslb,bei

Phasenende)^{stets bei}

n

x ¹80°, erfolgt, d.h bei einerRelativstellung der Stator-Rotorzahne 111- 121, inderdiese sich

wirksam

anziehen konnen, ^s.Phase

X

ⁱⁿFig.l

Die

Entrnagnetisierungsenergie(der by-pass Stromlb, Verlaufs.Fig.3, Punktlinie)kann alsoder darauffolgendenPhase fiberdieby-pass- Diode 22 ^{mitnutzlicher}

Wirkung

(als

Aufmagnetisierungsstrom, von

einem Drehmoment

begleitet)zugeleitetwerden, auch

wenn

der

Hauptstrom

^noch nicht eingesetzt^hat.

Fangt der HauptstromIpverzogert nachderZeitt(elektrischerRotorwinkel ^v) zufliessen an, so wird dessen ^{Anstiegsteiler,}dadas entsprechendeMagnetjoch 1 1 bereitsfiber denby-pass Strom vormagnetisiertist.

Dies bedeutet, dass eine gezielte Sperrung des Leistungsschalters 21 derX-Phasez.B.

dafiirverwendet

werden

kann, dass

man

aufgrundder "Verkettung" der Phasen uber

den

by-pass Strom eine zweckmassigeVormagnetisierung der Y-Phaseiiberdie

Diode 22X

erreichenkann.

Durch

die Steuerung^dieserPhasenschaltvorgangelaBt sich z.B.neben derLeistungsregelungeinbestimmter Stromverlaufin den Phasen erreichen, welcher fureinen optimalenWirkungsgradund/oderfureine

Gerauschreduzierunggunstigist.

Angesichts derErkentnisse dieserErfmdung, und zwarhauptsachlich, dassdieVerkurzungder Hauptstromdauer

am

Phasenanfang,nicht

zum

Phasenende wie

beim

StandderTechnik zu erfolgen hat,lafit sich nichtnurder Elektronikaufwand reduzieren, sondern auch eine Regelungin breiteren Grenzen erreichen.

Die

variableEinschaltverzogerung tder Leistungsschalter 21 kann aufelektronischem

Wege

oder fiberdie mechanische VerschiebungeineszweitenHallsensors31a^erfolgen.

ElektronischlaBtsich dies mit

einem

einschaltverzogerten Zeitglied ^erreichen,welches

zum

Phasenwechsel in

Gang

^gesetztwird, unddie Gate-Elektrodender Leistungsschalter 21 urn^die Zeitspannetan das

minus

Potential nach

dem

Phasenwechselhalt, (s.Fig. 3).

Diese

Verzogerung kann

parametrisch erfolgen, also z.B. iiber eineSchaltung eingestellt,die einen Soil-mit

dem

Isrwertvergleicht und dementsprechendkorrigiert,

um

eine bestinunte Regelgrdssewie Drehzahl oder

Drehmoment

z.B. konstant zuhalten.

So

miisste

man

^bei einerDrehzahlerhdhung dieVerzogerungt vergrossern,

um

dadurch

den Hauptstrom

zu reduzieren, bis dieDrehzahl auf den eingestellten Wert sinkt.

1st dieVerzogerung t konstant, sowirdaucheine gewisse,jedoch ungenaue Drehzahlbegrenzung

erreicht. Steigt die Drehzahl desMotors an, sowird dabei dierelative Einschaltdauer(die Leistungsaufnahme) desMotors abnehmen, biseszu einerDrehzahlbegrenzung

kommt.

Dies geschieht,weil bei hoherer Drehzahl diePhasendauer

T

abnimmt,

wahrend

dieVerzogerungt

konstantbleibt, so dassdierelative Einschaltdauer

=

_T-tabnimmt.

Das

Verhaltnis Hauptstromwinkel/ Phasenwinkelverringertsich.

Eine einfache Leistungsregelung,beiwelchr dieses Verhaltnis konstant bleibt, lasst sichdurch die

Verwendung

zweier phasenverschobenerRotorpositions (Hall)sensoren 31 mitdigitalen "open collector"

Ausgangen

312, 313 erreichen, (s.Fig. 4).

Dabei wird dieGate-Elektrode der Leistungsschalter 21 uber

dem

ersten Hallsensor(3₁)

am

Sattigungspotential "high" gebrachtund

vom

zweitenHallsensor 31a(dessen

Ausgange

sind paralell geschaltet) zu

dem

minus-Potential "los"kurzgeschlossen.

In derunteren HalftederFig. 4 ^sindaufder

Ebene

a die Signale eines Ausganges 312 des aktiven Hallsensors 31 (= Steuersignale der GateGx,

wenn

der Schalter314 offen ist, 315 geschlossen) bzw. auf

Ebene

bdiedes Ausgangesdes Hallensors31a (Schalter 315 offen, 314 geschlossen).

Auf

der

Ebene

c istdas resuhierende ^"

X

Gate"-Signal (herabgeregelte Leistung),

wenn

beide Schaltergeschlossen sind. Die "high" Impulsbreite der"Y"-Phase istidentisch,jedochelektrisch

um

180° phasenverschoben.

Sind die Signale derzwei Hallsensoren

um

den Winkel v phasenverschoben, _so istder Winkel,

w&hrend

dieGate Elektrode "high" ist(=Hauptstromwinkel) stets

w-v

(Phasenwinkel

-

Phasenverschiebung derHallsensoren.

Fur

den

Motor

eines Elektrowerkzeugeskann unter

Umstanden

dieseLeistungsregelung gunstiger sein.

Bei marktublichen

Handwerkzeugen

erfolgteineDrehzahlerhohungdurch das Weiterdnicken _des

im

Handgriffintegrierten, motornahenSchalterswelcherindiesem Falle einPotentiometer

beinhaltet.

Ein solcher Schalter

kann

auchubereinenHebel z.B. die

Bewegung

eines Hallsensorsbewirken, so dass dieFunktion der Leistungssteuerung des

Werkzeuges

(s.Fig. 5)sichso darstellenkann:

WO

^00/74205 PCT/RO00/00011

6

-Jenach gewunschterDrehrichtung wird mitHilfe desbistabilen links-rechts Wahlhebels 36, die

Schaltpunktem dieetwaim ersten Viertel desPhasenwinkels liegen,links-oder rechts der neutralen Zahn-Zahn-^Stellung,

5

-Am Anfang

^des

Hubes

^des Hebels 37wird derAnlauf(Hall)sensor 31az.B. wieunterFig. 3 dargestellt, aktiviert,und der

Motor

^startetin dervorgewahltenRichtung,

-Nach Erreichender unterenDrehzahlgrenze wirdderzweite Hallsensor 31 aktiviert, welcher jedochdiemaximale Winkelverschiebungv aufweist, so dass derHauptstromwinkelklein ist,

und der

Motor

mit minimaler Leistnng (bzw. Drehzahl)^arbeitet,

10 -durch Weiterdriicken desHebels 37 wirdeiner derHallsensoren ³¹ wie in Fig. 5 sobewegt, dass dieVerschiebung v ^{verringertwird, so dassder}Hauptstromwinkel ansteigt

und

damitdie

Leistung des Motors.

Istdie Phasenverschiebungder beiden Hallsensoren31 gleich, soarbeitet der

Motor

mitVolllast (Hauptstrom- und Phasenwinkel sind gleich,Flip-Flop- Betrieb)

15 Fiir

manche Anwendungen

(Staubsaugerz.B)kannderbeweglicheHallsensor31

von

der Ausgangsgrosseeinerangetriebenen Vorrichtung

(Vakuum,

Durchfluss,Temperatur Strom, Schwingung) abhangigverstelltwerden, z. B. fiir

Druck

mitHilfe einerZylinder-Kolben-Feder^- Vorrichtung 38,

was

besonderspreisgiinstigeGesamtlosungen furdieRegelungerlaubt(s. Fig.6).

Bei einem Verbrennungsmotor^eines

PkWs

z.B., welcher mit einemAnlassernachder

WO

^

_{98/23024versehen ist,konnen die} Schwingungendes OttomotorsmitHilfe eines Hallsensors gedampftwerden, welcher drehschwingungsfrei^gelagertist.

Zeigt derOttomotor samt ReluktanzanlasserDrehschwingungen, sofiihren diese dazu,dassder schwingungsfrei gelagerteHallsensorsichrelativzu

dem

schwingenden Statorderartbewegt, dass dieReluktanzmaschinezwischen

dem

Motor- Generator (Bremse) Betrieb

im

Sinneeiner 25

Reduzierung der Schwingungendes Ottomotorspendelt.

Diese Funktionen konnenselbstverstandlichauch aufelektronischem

Wege

^realisiert werden, so dassanstelle einermechanischen VerschiebungelektrischePhasenverschiebungen

zum

Einsatz

kommen.

Bei denelektronischenLosungenmitZeitschaltungen

kommt

es grundsatzlich daraufan,

30

synchronzu

momentanen

Rotor-/Statorstellungen, die^fairdie

Umwandlung

derelektrischenin

mechanischeEnergie giinstig sind,langere oder kurzere Hauptstromlaufzeitenzu steuern

und

diese ggf. abhangig von einem Sollparameter(z.B. Drehzahl) zuregeln.

Stellung fur einen Anlaufsensor31a gegemiberdes Gebermagneten32 vorbestimmt, mit

FurdieMaschinensteuerung

muss

also

em

Rotorstellungssignal

gewonnen

werden, welches unzweideutig den Drehwinkel- undggf. die -Richtungwiederspiegelt.

Dieses Signal lasstsichmit bekannten elektronischen Mittel derartverarbeiten, dass daraus Steuerungsimpulse fur die Leistungsschalter 21 in flip-flop-(Vollast)- oder

Leistungsregelungsmodus

gewonnen werden

konnen.

Dabei istes unerheblich,

was

fureineArt

von

Stellungssensoren eingesetztwerden, wobei diese

im

Laufeder Beschreibung einfachheitshalberalsHallsensoren 31 (analog, digital, differential, programrnierbar) bezeichnetwerden.

MitHilfe ernes differentialen bzw. programmierbaren Hallsensors lassen sich direkt die

Rotorzahne abtasten,so dass einPhasenwechselsignal auch ohneHilfe eines Gebermagneten 32

gewonnen werden

kann. Die Rotorstellungkann im Sinneder

Erfmdung

_{auch ohne} Hilfe eines Sensors, durch die elektronischeErmittlungderReluktanz derMotorphasen erfolgen, wie

vom

Stand derTechnik bekannt.

Wie

die Fig.3 zeigt,

wo

alsVergleich derflip- flop-Phasenwechselsignal eines ungeregelten Motors

und

das Sagezahn- oder Sinussignal eines Rotorstellungsgebers dargestellt sind, lassen sichaus diesen Grossennichtnur Phasenwechsel-, sondern auch andere Steuersignale gewinnen.

Dabei

kommen

einfache elektronische Mittel

zum

Einsatzwie der Schmidt-Trigger. Ein

SagezahnsignaldieserArtkannz.B. mitHilfe eines analogen Hallsensors31c

gewonnen

werden, welches durch einenPermanentmagneten 33 polarisiertist undsich radial voreinermit

dem

Rotorsolidarisch drehenden, weichmagnetischen"Sagezahnscheibe" 32abefindet (Fig.6).

Dabei andertsich derMagnetfeld, welches den Hallsensor ansteuert (dieReluktanzdes Systems)

"sagezahnartig," so dassauchdasAusgangsignal des Hallsensors 31c(= Eingangssignal der Phasensteuerungstriggers) diese

Form

aufweist.

Aus dem

Sagezahnsignalkann iibereinen Pegelschalter34 (Schmidt Trigger,s.Fig.2

u

3) ein Phasenwechselsignal (Flip-Flop)

gewonnen

werden,

wenn

derTriggerinder Mitte der

Anstiegsphase(Pegel

Uk)

kippt (Phasenwechsel

XzuY)

bzw.

beim

Abfallen des Signalsnach derZahnspitze

Us

in dieAusgangslage zuriickfallt (YzuX), s. Fig.3 vgl.

Ebene

a-c.

Durch

die

Anpassung

derKippspannung

Uk

kann diePhasensymmetrie leichtbeeinflusstwerden, ohnedass diePhasenlage (beimZuriickfallen nachderZahnspitze) sich andert.

Phasensymmetriebedeutet, dassdie

Dauer

der"high" Phasen an beiden

X und Y

Ausgangen, also andie Gate ElektrodenGx,

Gy

derLeistungsschalter 2IX, 21

Y

^stetsgleich ist, sei es

im

flip-flop-

WO

^00/74205 PCT/RO00/000H 8

Oder

im

Leistungsregelungsmodus. Diesist notig, urn furdenruhigen

Lauf

derMaschine die Strorneder beiden Phasengleichzu halten.

Sollte esz. B.

wegen

derEigenschaften der Bauteilejedoch dazu

kommeru

dass die "high"

Phasen

am

Gate der Leistungsschalter

21X

?21

Y

unterschiedlich lang sind_? soist esz. B.mitder Prinzipschaltungnach Fig. 7moglich, ein Spannungssignal

Ud

(Symmetrieabweichung) zu gewinnen,welches

zum

^{Abgleich der}Phasensymmetrie eingesetzt wird.

Mit

Hilfe^dieser Spannung

Ud

wirddie Kippspannung

Uk

desTriggers 34 ^derartangepasst, dass sich eine Phasensymmetrie^einstellt.

Die

Spannung Ud

^istdie Potentialdifferenzan zwei KondensatorenCx,

Cy

dieuber Widerstande Rx, Ry, an^dieGate -ElektrodenGx,

Gy

?der Leistungsschalter angeschlossen, wechselweise aufgeladen bzw. ^entladenwerden

und

einen Spannungspegel annehmen, welcher

dem

Verhaltnis der ein/aus Dauerdesjeweiligen Schalters

21X

r 21

Y

entspricht.

Dieses Phasendauersignal kannin flip-flop

Modus

^{(z. B.}

^beim

^Hochlaufder Maschine) auch ^als analoges Drehzahlsignal ^eingesetztwerden.

DieseMoglichkeiten ^derBeeinflussungdes Phasenwechsels konnen mit^einer dynamischen, hauptstromabhangigen^{Variante (Fig.8) erganztwerden,} die hauptsachlich das Anlaufverhalten verbessem^kann.

Dafurwird^z. B.

im

Magnetkreis des Gebermagneten(32)- Hallsensors31 eine (odermehrere) Stromschleife322 (s.Fig.8)eingefiihrt, die z.B.

vom

Hauptstrom einerPhaseodervoneinem geeigneten Steuerstromdurchlaufen wird.

Jenach

momentaner

Stromfliessrichtung

und

Starkewird das Magnetfeld, welchesden

Hallsensor31 unddamit den Phasenwechsel steuert, beeinflusst, so dassaufdiesem

Wege

eine

Ruckkopplung

^zwischen

dem

^HauptstromIp

^und dem

Phasenwechsel entsteht.

Damit

wirdeine lastabhangigeVerstellung derPhasenwechselpunkte ^als

Ruckkopplung

moglich.

Einesolche Verstellung desPhasenwechsels

kann

auch mitelektronischen Mitteln der Phasenverschiebung

(vom

Stand derTechnik bekannt) inweiteren Bereichendurchgefuhrt werden,

wenn

^siezur Optimierung des Wirkungsgrades bzw. zurRegelung desMotorsnutzlich

ist. Dafuristes z.B. giinstig,von

einem

analogen Hallsensor einSinussignal (Fig. 3, Ebened) zu gewinnen,weil dieses

zum Zwecke

derPhasenverschiebung sich leichterverarbeiten lasst.

Die

im Zusammenhang

^{mitFig. 3.} beschriebenenMittel sowiedie

vom

Stand derTechnik bekannten Mittel der Phasenverstellung sind z.B.dabeieinsetzbar.

Fur den Anlaufdes Motors istein Phasenwechselin der

Nahe

der Zahn-Liicke- Steliung(s. Fig.1,

Ecken

derRotor- und Statorzahne der Phase

X)

^giinstig; dieVerschiebungdes Phasenwechsels gegeniiberdieserSteliung solijedoch mitansteigenderDrehzah] zunehmen.

Dafur^ist z.B. giinstig,

wenn man

mitHilfe einesmit derSchaltfrequenzansteigenden, leichtzu gewinnendenDrehzah] (Spannungs-)signalseine grossere Phasenverschiebungdes

Phasenwechsels hervorruft.

Die

Grosse dieserVerschiebungwird fur einen optimalenWirkungsgrad

von

den Betriebsparametern (Drehzahl,

Drehmoment)

abhangigsein.

Eine Moglichkeit, dies zu ermittelnist, bei konstanter (geregelter) Drehzahl bzw. Last, die Phasenverschiebung soweit zu bringen, dass derHauptstromIp oder derby-passStrom lb den niedrigsten

Wert

erreichen. Letzterer (lb) istmit niedrigerenVerlusten messbar, ggf. sogarohne Verluste, iiberdie Selbstinduktionsspaimung Ua.

Mit

einer zweckmassigen Kegelschaltung kanndiese Wirkungsgradoptimierung automatisch erfolgen.

Verwendet man

^anstelle eineseinfachen Sensors einenprogrammierbarenHallsensor,welcher auf

dem

gleichen Chipeinstellbare Triggerbausteineaufweist, so ist esmoglich, den

Schaltungsaufwand entscheidend zu reduzieren

und

diePhasenverschiebung derAusgangssignale durch die Programmierungdes Sensors zu steuern.

Das

rotierendeMagnetfeld (diemotorische Wirkung) der

Maschine

entstehtaus der Uberlagerung des HauptstromesIpund des by-pass- Stromes lb.welches stetsnachderUnterbrechung des Hauptstromes deranderenPhase entsteht

und

die

Wicklungen

der beiden Phasengleichzeitig durchlauft.

Bei Maschinen,diewiein der

WO

98/23024 beschrieben, sich aus zwei Maschinenhalften (mit dergleichen Achse,mechanisch

um ^w/2 zum Zwecke

derDrehmomentglattungwinkelversetzt) zusammensetzen. besteht eineMoglichkeit, dieSpitzen der Selbstinduktionsspaimung

Ua

zu reduzieren, indem

man

denby-pass

Strom

lb nicht nur zu der komplementarenPhase, also von

X

zu

Y sondem

auch zu denPhasender zweiten Maschinenhalfte zuzuleiten; s. Fig.la.

DiezweiteMaschinenhalftehat die gleiche Minusverbindung wie dieErste und istmitdieser identisch.In Fig. 1 zeigen die gestrichelt, schrag gezeichneten

Dioden

"22" _die moglichen Strompfadezu den

Nebenwicklungen

"113" /Leistungsschaltern "21" der zweiten, inFig.la skizziertenMaschine.

Diesheisst, dass der by-pass Stromlb der Phase

X

sichzuden Phasen

Y

undY'(derzweiten Maschine gehorend)abzweigt, odererwird alleinederY' Phase zugeleitet,

wenn

dies fiirden

WO

^00/74205

IP ®

POYROOO/OOOll

10

Wirkungsgrad^giinstigist. Mit

dem

^{by-pass Stromlb' der} zweiten Maschinenhalfte wirdahnlich verfahren. Sowohl der Haupt-wie der wesentlichschwachere by-pass-Strom (s. Fig. 3) lassen sich, stets voneinander abhangig, ⁱⁿgewissen Grenzenzur Optimierungder Motorfunktion steuern, so konnen, ^derarteingestellt,Verluste minimiertwerden.

Die

Hauptverluste ^sind:

a)

-ohmsche

Verluste in Wicklungen undLeistungsschaltern, diemassgeblichvon der Stromspitzenabhangigsind, die

man

^{also moglichstvermeiden sollte,}

b) -Schaltverluste, die eine

Vermeidung

zuvielerSchaltvorgangeverlangen,

c)-Verluste durch Spitzender Selbstinduktionsspannung, (vonden Stromspitzen abhangig) die im

Avalanche-Modus von

den Leistungsschaltem21 absorbiert sindunddiese gefahrden,

d)^- Eisenverluste, die ⁱⁿetwamit denVerlustenuntera) undb) zusammenhangen.

Urn

den bestmoglichen Wirkungsgradzuerreichen, istalso notig,mit moglichstwenigen Schaltvorgangen einen zweckmassigen VerlaufdesHauptstromes Ipzuerreichen, d.h insbesonders hohe

Werte zum

Zeitpunkt derAbschaltung zu vermeiden. Fureinige

Betriebszustande ^ist es unter

Umstanden

zweckmassig, eine zusatzliche Unterbrechungdes Hauptstromes Ip in

Kauf

zunehmen,^{(s.Ebene e,}rechte Seite)

wenn

dadurch hohe Stromspitzen vermieden ^werden,

wobei

sich als FolgeeineErhohungdes Wirkungsgradeseinstellten.

Dadurch

hat der

vom Motor aufgenommene

^Stromeine geringere Welligkeit, und derggf zur

" Glattung notwendige Elkowirdkleiner. Fig. 3 -Ebene a,b> zeigen typischeVerlaufe des

Hauptstromes ineinen ungeregelten oder nur^liberdieVerzogerungtgeregeltenMotor.

Die

StromspitzenIs

zum

Phasenende lassensich z.B.dadurch verringern, dass zu derPhasenlage

t2, (s.

Ebene

a

und

e),

wo

derHauptstromIpeinen niedrigerenWerthat, die Gatedes

Leistungsschalters 21 fur^dieZeit t3

am

minus- Potential (Ground) kurzgeschlossenwird,

was den

Hauptstrom insbesondere

im

hinteren Bereichreduziert,s.Ebene ^e.

Die

Leistungsregelung sorgtdaftir, dass dieDrehzahl nichtabfallt

und

reduzierttauftl,

wobei

der Hauptstrom insgesamt auf

dem

Nennwertbleibt,jedochohnedieausgepragte SpitzeIs,

was

zu einerSteigerung des Wirkungsgradesbeitragen kann.

Um

den Anlaufstrom des Motors zubegrenzen, kann

man

den Hauptstrominnerhalb der

Phasendauer

T beim

Erreichen einesvorgegebenenSpitzenwertes Iv (s.Ebene E, links) ein- oder

mehrmals um

eine konstante oder parametrischvariable Dauert3 unterbrechen,wieunter Fig.3,

Ebene

e gezeigt. Die Verzogerung

zum

Phasenanfangistnichtvorhanden (t=0).

Die

Wiedereinschaltung desHauptstromes kannz. B. erfolgen

wenn

der by-pass- Strom auf einen vorgegebenen

Wert

gesunken ist.

Diese Anlaufstrombegrenzung kann auch als Schutzfunktionfungieren underfolgtz.B. mit Hilfe einesTransistors 42, s. Fig.9.

Weil

der

Anfang und

das

Ende

derPhase vorgegebensind

und

die Wicklungenderbetroffenen Joche, sei esiiberHaupt-oderby-pass-Strom standig durchflossen sind, bedeutet dies

grundsatzlichkeine

Abkehr vom

Flip-Flop-Anlaufinodus.

Ohne

^diese Schutzfunktionkannbesonders beim Anlaufdes Motorsnicht vermieden werden, dass ^der zu

kommutierende

Hauptstromhohe Werte erreicht. Dadurch erreichenauch die Spitzen der Selbstinduktionsspannung

Ua

sehrhohe Werte,die trotzdesby-pass -Stromeslb die

Spannungsfestigkeit der Leistungsschalter21 (Mosfets, IGBT's) iiberschreiten.

Die

Energie der

im Avalanchemodus

"gekappten" Spannungsspitzen (=avalancheclamping) gefahrden jedoch die Leistungsschalter. Es^ist dahergiinstiger, diese Spitzen durchAnsteuerung derGate, also durch Leitfahigkeitdes Chipsin

Warme umzuwandeln

(activeclamping).

Dies gelingtmit Hilfe derin Fig.9 gezeigten Schaltung,

wo

iiberdie Zenerdiode40

und

durch Sperrungdes Transistors41 die GateeinpositivesPotential

bekommen

wird, (21 wirdleitend) sobalddie andenLeistungsschalter 21 angelegte

Spannung

sich

dem

Avalanchewert_nahert

und

dadurchdie Zenerspannungiiberschreitet.

Wie

Fig. 9 zeigt,ist die Gateiiber denopen- colector-

Ausgang

des Hallsensors 31 ₍ Phasensteuerung)

und

zusatzlichiibereinenReihen-₍₄₁₎

bzw

einenParalleltransistor

42

steuerbar.

Dadurch

kann dieGate-Steuerung beiBedarf

von

derPhasensteuerung abgekoppeltwerden,

um

z. B. diewichtigsten Betriebs- und Schutzfunktionen des Motors zurealisieren, wie:

a)^- Ein-/Ausschaltung,

b)-Leistungs-, Drehzahlregelung c)^-Uber- wie Unterspannungsschutz,

d)- thermische Abschaltung, Strombegrenzung,

und

Kurzschlussschutz, e)-Schutzgegen induktive Spannungsspitzen,wie bereitserwahnt.

f)

-Bremsung

Der

Transistor42

iibemimmt

Schutzfunktionen

und

solltedie Gate

am

minus Potential kurzschliessen,falls einer der unterc)oder d)aufgefuhrtenZustandeneintritt.

Aus

^der

WO

^{96/09683 ist}eineReluktanzmaschinebekannt, die keinenStator, sondernzwei unabhangige Rotoren 1,2hat,wobei ersterer,derFeldrotor 1,wie Fig. 10 zeigt(einem drehenden Stator ahnlich),iiber zwei Biirsten 34-bzw. Schleifringe mit

dem

Hauptstrom Ipversorgt wird.

WO

^00/74205 PCT/RO00/00011 12

Der

Feldrotortragt auf

dem Rahmen

^{5 die}Leistungsschalter 21 undeinen Teil derPhasen-und Drehzahlsteuerung, ^{diealsobeweglich, ftir}eine Einstellung von auBenunzuganglich sind.

FurdieseArtvonEinstellungenistalso notwendigeine kontaktloseUbertragungz. B. ^des von auBen vorgegebenen Drehzahlsollwertes durchzufTihren, diemitHilfe eines axial eingebauten, mitrotierenden Hallsensors39

vorgenommen

^{wird, welcher iiber}eine feststehende

Steuerwicklung

49

angesteuert wird.

MitHilfedieserBauteile39,49, ^istz.B.moglich, ^{dieZeitbasis,}welche dieEinschaltverzogerung

t derLeistungsschalter 21 ^(dieLeistungsregelung)^steuert, diesichauf dermitrotierender^Platine 45 des Feldrotors ^{1 befindet,}zuregeln.Die Phasensteuerung^{dreht sich mit}

dem

Feldrotor.

Wahrend

dereingestelltenVerzogerung^tistdie Steuerwicklung49^bestromt.

Diese steuertden Hallsensor 39,welcherdiebeschriebene Leistungsregelungkontrolliert.

Da

die Zeitbasisdurch Phasenwechsel,^also durch^{die steile}

Abnahme

des HauptstromesIp gesteuert wird,konntedieserelektronisch^leichtzuerkennende Vorgang sogar eine

auBenstehende^{Zeitbasisstarten.} DieVorteile derErfindungberuhenaufder Einfachheit der (Leistungs) Schaltungen,^dieeine preiswerte Realisierung gestatten.

1m Folgendem

^{werden drei} Schaltungsbeispiele^{(Fig- 1}1, 12,13) ^fardie Drehzahlregelung beschrieben,^{die fiir}den Motor nach^{Fig.l einsetzbarsind.} Die^{Schaltung des}Motors wurde vereinfachtdargestelltund^jenachBeispiel unterschiedlich ^erganzt.

Die zwei by-pass-Dioden⁽ⁱⁿReihemitdenby-pass

Wicklungen

¹13)wurden funktionsgleich durcheine einzigeDiode^{221 ersetzt, deren}Kathodedirektmit

dem

Plusanschlussverbundenist.

Zum ^Zwecke

^derRegelung

^muss

^dieAnsteuerungderGate-Elektroden der Leistungsschalter 21

am Anfang

derPhase von^derPhasenumschaltungabgekoppelt werden.

Um

^eineVerzogerung zu^{bewirken,istes}

am

einfachsten, einvonderPhasensteuerungin

Gang

gesetztes RC-Gliedmit einemPegeldiskriminator (Trigger) zukombinieren,so dass

am

Ausgang des Triggerswahrend^derVerzogerungtein

low

Signal erscheint, welcherdie Gate des

Leistungsschalters der aktivenPhase desMotors "low" schaltet.

DieAbschaltung ^einerPhase (Wechselhigh-low)

muss

also dieEinschaltverzogerung^tdes Leistungsschalters 21 der nachstenPhaseauslosen.

DieFig. 11 zeigtzwischenderSchaltungeinesMotors Ginks dergestricheltenLinie)und

dem

Pegelschalter(hier Schmitt-Trigger,^rechts derPunktlinie) ein Realisierungsbeispiel der Erfindung.Der

Motor

mit zweiPhasen

X ^und Y

hatHauptwicklungen ¹¹2 ⁱⁿReihe mit den Leistungsschaltem^{21 (beide}mit einerInversdiode versehen) ^die

vom

Hauptstrom^Ip

durchflossensind.

13

Die NebenwickJungen ^{1 13} sind

vom

by-pass Strom lbdurchflossen, welcherdurch dieby-pass

Diode

221 zu der Plusleitung fliefit. Die GateElektroden Gx,

Gy

der Leistungsschalter 21

werden von

den Widerstanden

Rg

"hochgezogen", fallsder Ein-AusschalterIDgeschlossen ist.

Diese werdenjedoch

vom

digitalen Hallsensor31 mitkomplernentaren (flip-flop) Ausgangen Hx,

Hy

(=Phasensteuerung) nicht

mehr

direkt, sondern iiberdie

Dioden Dl zum

Minuspotential

"heruntergezogen" ^(pulled down).

Bishier gleicht dieFunktion der eines ungeregelten Motors.

Die

komplernentaren

Ausgange Hx, Hy

des Hallsensors 31, vor

dem

sichder Gebermagnet 32 dreht, sind,

um

Signale fur die

Regelung

zu^erhalten, an den"hochzieh" (pull-up) Widerstanden Rt angeschlossen.

Durch

diese

werden wahrend

der"high"Zeit der

Ausgangen

Hx,

Hy

des Hallsensors 31 dieKondensatoren

Ct

aufgeladen.

Die

Aufladung kann inBedarfsfall zurVerbeserungdesRegelungsverhaltens iiber dieDiodenDi (Punktlinie) beschleunigtwerden.

Wird

einerder open-collector

Ausgangen Hx,

Hy, des Hallsensors 3¹ "low", soentladt sich der jeweilige Kondensator Ctiiber diesem bzw.iiber

dem

Reihenwiderstand Rt, wobei letztere

RC-

Glieder(Rt,Ct) bilden,diedie

Verzogerung

^tfurjedePhase

zum Zwecke

derDrehzahlregelung

bestimmen

An

der VerbindungsstelleRt-Cterscheint

beim

Phasenwechsel ein asymptotisch abnehmendes Minuspotential Ut.

Diesenegative Spannung,dieentweder

von

der

X

^oderY-Phase stammt, verursacht iiberdie

Dioden De

unddenWiderstand

Re

einen

Strom

^It welcherden Schmitt- Trigger

ST

kippt.

Dadurch

wird derAusgangstransistor

Ta

leitend. Dadurchbleibtauch

nach dem

Phasenwechsel die jeweilige Gate-Elektrodedes aktivenLeistungsschalters 21 fur die Zeit tiiberdie DiodenDt bzw. den Transistor

Ta und

den niederohmigen WiderstandRl an

dem

^-Potential angeschlossen, also "low".

Die Verzogerung^tdes Hauptstromes Ip wird durch denPotentiometer Pt eingestellt, welcher eineneinstellbaren Strom IsinRichtung derBasis desEingangstransistors

Te

leitet

(Sollwerteinstellung).

Die Substraktion des Sollwertstromes ^Is

und

des zeitlichvariablen StromesIt ergibt einen resultierendenBasisstromIe.

Wenn

^dieserdenSchwellwerterreicht, wird derTransistor

Te

leitend,

wobei

der

Ausgangstransistor

Ta

sperrt, so dassdiejeweilige Gateder Leistungsschalter 21 iiberden Widerstand

Rg

"hochgezogen"

werden

kann.

WO

00/74205 PCT/RO00/00011

10

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25

30

14

Der

Leistungsschalter 21 wirddadurch leitend, derHauptstrom Ip setzt also imSinneder Erfindung nach^der Verzogerungt ein.

Die

Drehzahlregelungsschaltung ^(rechts dergestrichelten Linie)kann aufeinergetrenntenPlatine angebracht werden, ^{die an} einem ungeregeltenMotor(z.B. libereine Steckverbindung)

angeschlossen

werden

kann.

Das

Gleiche giltauch fur dieSchaltungnachFig. 12.

Am

Eingangdes Schmitt-Triggers kanninvielfaltigerWeise Einflussauf

dem

BasisstromIe

ausgeubt werden, urn dieFunktionen derRegelungzuverfeinernoder den Motorzuschutzen.

An

^{dieser Stelle (s. Pfeile)kann ein} Steuerstrom eingespeistoder abgezogenwerden, entweder urn dieVerzogerung^tzubeeinflussen (Riickkopplungsfunktionen z.B.) oder den Motor im Falle einerGefahrdungdurch dauerhafte Sperrung desEingangstransistors

Te

zustoppen.

Die

Verzogerung^t(dieDrehzahl des Motors) kannz.B sinnvollerweise in den folgenden Situationenbeeinflusstwerden:

- Als Riickkopplung ^zurDrehzahlregelung; sinkt dieDrehzahl unter

dem

^{Sollwert, sowird die}

Verzogerung^treduziert,

um

den Hauptstrom zuerhohen.

- AlsAnlaufstrombegrenzung; erreichen derAnlaufstrom oderdie Selbstinduktionsspannung

Ua

zu hohe Werte, so wirddieVerzogerung^terhoht,

um

den HauptstromIp zusenken.-Zur Temperaturstabilisierung; steigtdieTemperaturdesMotors oder einzelnerseiner Teilean, so wird die Verzogerung^tvergrossert.

-

Die

Drehzahl desMotors lfisst sich^{liber die} Schaltfrequenz

am Ausgang

derPhasensteuerung ermitteln, die sichggf. in einAnalogsignal

umwandeln

^lasst. Zumindest eines der Signale vorgegebener

Spannung am Ausgang

der Phasensteuerung wirddafiir (s.Fig. ¹1, unterhalbder fettgestricheltenLinie) ubereinenKondensator

Ca

(etwa0,1 jiF) einerSchaltungzugeleitet, die die Auflade-Entladestrome desKondensators

Ca

uber zwei Dioden

D+, D-

trenntunddiesedurch IntegrationzurAufladungzweierKondensatorenC+, C-(5-1000|nF) mitparalellgeschalteten Entladewiderstanden

Rd

^zufiihrt.

Die

positivebzw.negativeAufladungder Kondensatoren

C+

oder

C-

istderDrehzahl

proportional

und

jededieser

Spannungen

^lasst sich bei Bedarf zu Regelungszweckeneinsetzen.

Wird

^anstelle der Widerstande

Rd+,

Rd- an den Verbindungspunkten zwischenden Dioden

D+, D- und den

Kondensatoren C+, C- einPotentiometerPi angeschlossen, so lasstsichandessen Cursor ein

vom

^negativenbis

zum

positiveneinstellbares (Riickmelde)Signal gewinnen, welches derDrehzahlproportional ^ist

und

z.B. alsRuckopplungsstrom

zum

Eingangdes Schmitt-Triggers

ST

zugefuhrtwerdenkann.

15

Um

^{z.B. einen} Sanftanlauf des Motorszu bewirken, werden dieWerte derEntladewiderstande

Rd bzw.

derKondensatorenC+, C- derartausgewahlt,dass einer derKondensatoren C+, C-

langsamer ^die

Spannung

erreicht, die derDrehzahldes Motors entspricht.

Das

andern PotentiometerPi abgegriffene Signal hatnach der Einschaltung desMotorseine langsamere

Veranderung

und

kann

dadurch verwendetwerden,

um

^dieVerzogerungtallmahlich zu reduzieren,also einen Sanftanlaufzu bewirken.

Fig. 12zeigt eine Schaltung, die eineDrehzahlregelung-

und

-begrenzungdurchdie vorhin beschriebene Einschaltverzogerungermoglicht, beiwelcherdiese Verzogerungmittels einer

Spannung

^{gesteuert ist,} diemitderDrehzahlansteigt.

Wie

ersichtlich, hat diese SchaltungBauteile,(Rg, Dt, Rc, Ct, ST)die denenderFig.1

entsprechenundin

Zusammenhang

mitdieser beschriebenwurden.

Die

Kondensatoren Ct

werden

hierjedoch iiberzwei Diodenpaare D+,

D-

^aufgeladenbzw.

entladen. Der Positivanteil derStrome, die durch dieKondensatorenCtfliessen, ladt iiberdie

Dioden D+

^bzw.den Widerstand

Rv

den Integrationskondensator

Cv

auf, so dassdessenmittlere

Ladespannung

derDrehzahl proportional ist. Der Widerstand Rl dientdazu, dieKondensatoren

Ct

iiber dieDioden

D-

zu entladen,

wenn

diejeweiligen

Ausgange

Hx, Hy, desHallsensors 31 sich

am

Minuspotential befinden. Die Kapazitat dieses Kondensators

Cv und

derWiderstand

Rv

sind so gewahlt, dass ander

Kathode

derDioden

D+

^eine

Spannung Uv

entsteht, dessenmittlerer

Wert dem

Ladezustand desIntegrationskondensators

Cv

(der Drehzahl) entspricht,diejedoch eine ausreichende Welligkeithat,(die vorwiegendiiberdurch den Spannungabfall an

dem

Widerstand

Rv

entsteht),

um

denTransistor

Tv

innerhalb derPhasendauer zuschalten.

Der

Widerstand

Rf und

derKondensator

Cf

dienen dazu,aus dieser

Spannung Uv

etwaige Storanteilezufiltern.

Der

Ladezustand des KondensatorsCv, also dieAnstiegsrate dieser

Spannung

mit derDrehzahl

lasstsichmitHilfe des Potentiometers

Pv

anpassen, so dassmit dessen Hilfeeine

Drehzahlregelungerfolgt

Funktionsweise:

Wenn

die Drehzahl des Motorseinen iiberdenPotentiometer

Pv

eingestellten

Wert

unterschreitet, ist die

Spannung am

Kondensator

Cv

niedrig genug, damit der Transistor

Tv auch zum

Phasenanfang

(wenn

die Kondensatoren Ctsich in derAufladephasebefinden) nicht leitend wird.

Steigt dieDrehzahl desMotors an, so steigtdie

Spannung am

Kondensator

Cv

an

und

ebenso die

Spannung Uv

ander

Kathode

derDiode D+.(Die Widerstande Rc,

Rv und

derKondensator Ct bilden einen Spannungsteiler).

WO

^00/74205 PCT/RO00/00011 16

Weil der dereinzuschaltenden Phase entsprechende Kondensator Ct

zum

Phasenanfangentladen

ist,hat die Spannung

Uv

^{zu diesemZeitpunkt} den hochsten Wert.

Der

Transistor

Tv

wird

zum

Phasenanfang^leitend

und

sperrtden leitend polarisiertenTransistor

Te

des Schmitt-Triggers, sodass dadurch derAusgangstransistor

Ta

^leitendwird.

Die Gate

-

Elektroden der Leistungsschalter 21 bleiben so ander

Masse

angeschlossen und dieser (21) gesperrt. Steigtnach ^einerVerzogerung^tdie

Spannung

an

dem

Kondensator Ct an, so sinkt die

Spannung Uv

ausreichend,damitder Transistor

Tv

sperrt.

Damit

sperrt auch der

Ausgangstransistor

Ta und

derentsprechendeLeistungsschalter 21 wird nach derVerzogerungt leitend. Dieser

Vorgang

wiederholtsich furjedePhase

und

die Verzogerung^t

nimmt

aufgrund derbeschriebenen

Vorgange

einen Wertan, welcher dereingestellten Drehzahl entspricht. Weil die Ladespannung des Kondensators

Cv dem

^Hauptstrombeeinflusst, lasst sichdurch die

Erhohung

dieser

Spannung

derBelastungszustand des Motors, auch

von

derDrehzahl unabhangig,^reduzierenbzw. steuern.

Hier konnen^also weitere Steuerungseinflussespannungserhohend- bzw. senkendeingreifen.

Wie

oben ^erlautert,

kann

der Status derMaschine,

von

verschiedenen Parametern abhangigan der Gate- Elektroden Gx,

Gy

^derMaschinekontrolliertwerden. Angesichts derSchaltungen nach

Fig.11-13 istjedoch einfacher, die untera)bis f) beschriebenenFunktionendadurch zuerreichen, dass

man

die Steuerparameternicht direkt, sondern

am

^{Eingang des} Pegelschalters

ST

bzw.

am

Eingangder Treiberbausteine dereinzelnenPhasen beeinflusst.

Fig. 13 Zeigt eine weitere Schaltung,

wo im

Prinzip dieFunktion des Schmitt- Triggers samt

Invertiertransistor^It. Fig. 12 iiberzwei spezielle Steuerungsbausteine/Phase ^(mit

Schwellwertschalterfunktion, hier Mosfet-Treiber, z.B derTyps Micrel (Mic 445IB))realisiert

wurde.

DieseVariante gestattetaufgrundkiirzerer Schaltzeiten eine bessere Ansteuerung, insbesondere grossererMosfets oderparallelgeschalteterMosfetgruppen.

Die^SchaltungnachFig. 12

wurde

dafurwie folgtgeandert:

-Je einMosfet- TreiberDr/Phasemit

dem

invertierenden

Ausgang O

an Gate angeschlossen ersetzt Schmitt-Trigger

ST und

InvertiertransistorTv.

-

Die

Dioden

Dl und

^{die Hochzieh-(pull-up)}Widerstande

Rg

^{fur die} Gate- Elektrodenentfallen, weiljetzt die

Ausgange O

derzwei Mosfet-Treiber

DrX,

DrY, dieGate- Elektroden Gx,

Gy

unmittelbariiberbidirektionale Strome auf-bzw. entladen.

- DieAusgange des Hallsensors31 steuern die Eingange I derMofsfet- Treiberderart, dass deren

Ausgange Jow"

^sind, (Schalter21 gesperrt)wenn der jeweilige

Ausgang

des Hallsensors 31 (Phasenumschaltung)"high" ist.

-Die Spannung

Uv

(analoges Drehzahlsignal mit uberlagertem Wechselspannungsanteil) wurde uberdieEntkopplungsdioden

De

direkt denEingangen I derMosfet- Treiber

Dr

zugefiihrt.

Die Funktion ^istderderSchaltungnach Fig. 12 ahnlich:

-

Wenn

der

Ausgang Hx

des Hallsensors 31 "low" ist ist der

Ausgang

des Treibers

DrX

„high"

und

der

Motor

startet in flip- flopBetrieb (ohne Regelung).

-Uberschreitet die Drehzahl eine vorgegebene Grenze, sosteigt die

Spannung Uv

an unddie

Eingange der Treiber(DrX)

bekommen

kurzzeitig Werteder

Spannung

Uv, die uberder EingangsschwellederTreiber (ca. 1,5V) liegen, so dass deren

Ausgange

(die Gate-Elektroden) nurnach

dem

Abklingen dieserSpannung, also nach einerVerzogerungt. _r,high"

werden

konnen.

sodass der

Motor

ⁱⁿLeistungsregelungsmodus arbeitet.

Vom

Stand der Technikistbekannt, dass durch Phasenverschiebung oder

Umschaltung

zwischen zwei Hallsensoren _{31, 31'} ein Wechsel zwischenMotor-Generatorfunktion (Bremse) bewirkt wird.

Die

Energieriickgewinnungist bei einem Fahrzeugantrieb oderbei

einem

akkubetriebenen Elektrowerkzeugnutzlich. Die

SR-Motoren

derErfindung konnen

ohne

weitere Massnahrnenals

Generator einehohere

Spannung

erzeugen, als die

Spannung

derBatterie, die

zum

Erreichen der Drehzahl fiihrte.

Damit

^ist die Realisierungderobengenannten Funktion besonderseinfach.

Dies geschieht meist mitderAbschaltung derLeistungsregelungsfunktion, _die

im

Generatormodus weniggebrauchtwird.

EsreichtunterUmstanden, dieAusgangssignle der Phasensteuerung zu vertauschen (low statt high),urn eine Bremsfunktion unter teilweiserZurtickladungder Batterie zuerreichen.

WO

^00/74205

IP

PCT/RO00/0001

1

18

Patentanspriiche

:

1.)Leistungsregelungsverfahren ^furzweiphasige,elektronisch kommutierte Reluktanzmaschinen mitdirekterUbertragung derEntmagnetisierungsenergie ^einerabgeschalteten Phase auf der darauffolgenden Phase, dadurch gekennzeichnet, dassdie Einschaltungdes Hauptstromes (Ip)urn eine Dauer^(t)verzogertnach

dem

Phasenwechsel erfolgt.

2.₎Leistungsregelungsverfahrennach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, dass zwischender Sperrung des Leitungsschalters ⁽²¹

X)

^{einerPhase (X)}

und

der Stromleitphase des ^{Schalters (21}Y) derdarauffolgenden Phase (Y)die Selbstinduktionspannung Ua, ^{die bei der} Abschaltungder Phase (X) an derVerbindung zwischen^derHauptwicklung(112X)

und dem

Leistungsschalter (21X)entsteht iibereine by-pass

Diode

(22) einerPhase (Y,X, Y')zugeleitet wird,die vonder Stromquelle

noch

^{getrennt ist.}

3.₎ Leistungsregelungsverfahren nach den Anspruchen

1-2,

dadurchgekennzeichnet, dassdie Drehzahlregelung

und

-Begrenzung dadurcherfolgt, dass dieVerzogerung (t)von derDrehzahl unabhangigist.

4.₎ Leistungsregelungsverfahren nach denAnspriichen ¹

-

2,dadurchgekennzeichnet, dass die Einschaltverzogerung^(t) desHauptstromesdrehzahl abhangigistundaus derUberlagerungder komplementarenPhasenwechselsignale mit formahnlichen ^{Signalenentsteht,}welche gegeniiber derersteren

um

einen drehzahlunabhangigen

Winkel

(v)phasenverschobensind.

5.₎Leistungsregelungsverfahrennach den Anspruchen 1,2und 4, dadurchgekennzeichnet. dass dieEinschaltdauer derLeistungsschalter (21) derPhasen(X,Y) ^iiberde Phasenunterschied der Ausgangssignale zweierHallsensoren(3131a) geregelt wird.

6.₎Leistungsregelungsverfahren nach denAnspruchen ^{1 -} 2 und4,dadurch gekennzeichnet, dass diephasenverschobenen Signale

von

zwei digitalen Hallsensoren3₁, 31a dadurchentstehen,dass diesemechanisch verschiebbarsind.

7.₎Leistungsregelungsverfahren

nach

den Anspruchen 1 - 2und4, dadurch gekennzeichnet, dass diemechanische Verschiebungeines Hallsensors (31) oderdie elektrischePhasenverschiebung seinesAusgangsignals von einerAusgangsgrosse wieDruck, Durchfluss,Temperatur, Strom, Schwingungsamplitude, usw...abhangig erfolgt,die

von

einerangekoppeltenArbeitsvorrichtung stammt.