DE3930958A1 - Positionssensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erkennung der Win­ kelstellung des Rotors eines kollektorlosen Gleichstrommotors, im folgenden auch Positionssensor genannt.

Bei einem kollektorlosen Gleichstrommotor muß die elektronische Kommutierungseinrichtung die Spulen immer dann einschalten, wenn sie gegenüber dem umlaufenden Feldmagneten eine für die Drehmo­ mentbildung günstige Stellung haben.

Zur Positionserkennung des umlaufenden Rotors werden im allge­ meinen Hallsonden verwendet. Unter dem Einfluß des Magnetfeldes des Rotors geben diese eine Spannung ab, die zur Steuerung der elektronischen Kommutierungseinrichtung verwendet wird. Entspre­ chend der Phasenzahl der Statorwicklung muß die Anzahl und die Anordnung der Hallsonden gewählt werden. Anstelle normaler Hall­ sonden werden auch Hall-ICs verwendet, welche eine integrierte Elektronik besitzen.

Diese seither weit verbreitete Technik ist mit einer Reihe von Nachteilen behaftet:

Halbleiter-Bauelemente, zu denen Hallsonden und Hall-ICs gehö­ ren, weisen einen negativen Temperatur-Koeffizienten auf. Hier­ aus resultiert eine Temperaturabhängigkeit deren Widerstände und somit auch der Ausgangssignale. Aus diesem Grunde können Proble­ me bei der Signalerkennung auftreten. Die Signalhöhe kann in ge­ wissen Grenzen durch die Elektronik ausgeglichen werden. Dies bedingt wiederum einen höheren Aufwand.

Die Temperaturempfindlichkeit der Halbleiter-Bauelemente verur­ sacht eine hohe Ausfallquote.

Der Einsatzbereich der Hallsonden und Hall-ICs wird weiterhin durch ihre Strahlungsempfindlichkeit begrenzt. In einer strah­ lungsintensiven Umgebung, wie z.B. bei Beschleunigeranlagen, häufen sich die Fehlstellen in den Halbleiter-Bauelementen, was zu Funktionsuntüchtigkeit führt.

Ein weiterer Nachteil ist die Anzahl der Verbindungsleitungen von den Hallsonden zur elektronischen Kommutierungseinrichtung. Pro Hallsonde sind sechs Leitungen erforderlich, was den Einsatz von mehreren Sonden zu einem unerwünschten Aufwand führt. Die Länge der Verbindungsleitungen ist begrenzt, da durch die Kabel­ kapazität Phasenfehler der Signale hervorgerufen werden und zusätzliche Störungseinkopplungen der Motorstromversorgung unvermeidlich sind. Der Nutzsignal-Störsignal-Abstand ist dann wegen des kleinen Nutzsignalpegels sehr gering.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung und ein Verfahren zur Erkennung der Winkelstellung des Rotors eines kol­ lektorlosen Gleichstrommotors zu entwickeln, durch welche die angeführten Nachteile vermieden werden.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Teile der beiden Patentansprüche gelöst.

Die Erfindung stellt eine zuverlässige Einrichtung zur Erken­ nung der Winkelstellung des Rotors eines kollektorlosen Gleich­ strommotores dar. Am Einsatzort des Motors sind keinerlei Halb­ leiter-Bauelemente zu dessen Funktion nötig. Dadurch werden Nachteile, welche z.B. durch die negativen Temperaturkoeffizien­ ten, die Temperaturempfindlichkeit und die Strahlungsempfind­ lichkeit bedingt sind, vermieden. Die Verbindung vom Motor zur elektronischen Kommutierungseinrichtung wird wesentlich verein­ facht, da pro Positionssensor nur zwei anstelle von sechs Lei­ tungen notwendig sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 Längsschnitt eines kollektorlosen Gleichstrommotors,

Fig. 2 Querschnitt A-A nach Fig. 1 eines kollektorlosen Gleichstrommotores,

Fig. 3 Querschnitt B-B nach Fig. 1 eines kollektorlosen Gleichstrommotores.

In Fig. 1 ist im Längsschnitt und in Fig. 2 im Querschnitt nach A-A von Fig. 1 der grundsätzliche Aufbau eines zweiphasigen kollektorlosen Gleichstrommotores dargestellt. Dieser besteht aus dem Stator 1 mit den Statorwicklungen 2 und aus dem Rotor 3 mit dem permanentmagnetischen Teil 4. Zwischen Rotor und Stator befindet sich der Luftspalt 5.

Der permanentmagnetische Teil 4 mit Nord- und Südpol erzeugt im Luftspalt 5 eine konstante magnetische Feldstärke, welche zusam­ men mit den stromdurchflossenen Statorwicklungen 2 ein Drehmo­ ment bildet. Je nach Stellung der Magnetpole Nord und Süd rela­ tiv zu den Statorwicklungen 2, muß in diesen der Strom umgepolt werden.

Zur Positionserkennung der Rotorstellung werden anstelle der früher um 90° versetzt angeordneten Hallsonden erfindungsgemäß Spulen 6 und 7 mit jeweils einem Kern 8 und 9 aus Ferritmaterial eingebaut.

Ferritmaterial wird hier verwendet, da es eine schmale und rechteckige Hysteresekennlinie aufweist. Durch die schmale Form werden wegen der geringen Remanenz die Verluste klein gehalten und der steile Anstieg der Hysteresekennlinie, welcher sich in der rechteckigen Form ausdrückt, hat zur Folge, daß bei klei­ nen Feldstärkeänderungen sehr schnell der Sättigungsbereich erreicht ist. Anstelle von Ferritmaterial können auch andere Materialien verwendet werden, welche die gleichen oder ähnli­ che Eigenschaften aufweisen.

Da die Anordnung von Spulen 6 und 7 und der Kerne 8 und 9 aus Ferritmaterial nicht zwischen magnetischem Nord- und Südpol der Rotormagnete unterscheiden können und pro Umlauf nur ein Signal pro Spule erwünscht ist, wurde im axialen Bereich des Rotors 3, in dem sich die Spulen 6 und 7 befinden, nur die Hälfte des Ro­ tors 3 mit permanentmagnetischem Material 4 bestückt (Fig. 3).

Die Gegenseite wird in diesem Bereich zur Vermeidung von Unwucht mit unmagnetischem Material 10 gleicher Dichte versehen.

Die Spulen 6 und 7 werden von einem Wechselstrom durchflossen. Die Frequenz dieses Wechselstromes ist groß gegenüber der Nenn­ drehfrequenz des Rotors. Sie beträgt in dem hier angegebenen Beispiel ca. 30 KHz. Die Induktivität der Spule ist durch die hohe Permeabilität der Kerne 8 und 9 aus Ferritmaterial sehr groß. Dadurch entsteht ein hoher Spannungsabfall während einer halben Umdrehung, bei der kein magnetischer Fluß die Spule durchsetzt. Dies ist jeweils dann der Fall, wenn die Spulen 6 und 7 dem unmagnetischen Material gegenüberstehen.

Werden jedoch während einer halben Umdrehung diese Kerne 8 und 9 aus Ferritmaterial vom starken magnetischen Fluß des Rotormag­ neten 4 durchdrungen, stellt sich in dem Ferritmaterial eine Sättigung ein. Diese bedingt eine starke Verminderung der Induk­ tivität der Spulen 6 und 7, wodurch wiederum der Spannungsabfall an den Spulen stark reduziert wird.

Diese Änderung der Wechselspannungs-Amplitude wird als Signal zur Steuerung der Kommutierungsanordnung 11 verwendet.

Claims (3)

1. Einrichtung zur Erkennung der Winkelstellung des Rotors ei­ nes kollektorlosen Gleichstrommotors, dadurch gekennzeich­ net, daß im Luftspalt (5) zwischen Stator (1) und Rotor (3) Spulen (6, 7) mit jeweils einem Kern (8, 9) aus magnetischem Material, welches eine möglichst schmale und rechteckige Hysteresekennlinie aufweist, vorhanden sind, daß die Spulen (6, 7) von einem Wechselstrom durchflossen werden, dessen Frequenz groß gegenüber der Nennfrequenz des Rotors (3) ist, daß der Rotor (3) in dem axialen Bereich, in welchem sich die Spulen (6, 7) befinden, nur auf halbem Umfang mit permanentmagnetischem Material (4) bestückt ist und daß die Gegenseite in diesem Bereich mit unmagnetischem Mate­ rial (10) gleicher Dichte versehen ist.

2. Verfahren zur Erkennung der Winkelstellung des Rotors ei­ nes kollektorlosen Gleichstrommotores mit Hilfe der Ein­ richtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung des Spannungsabfalles an den Spulen (6, 7), welche während einer Umdrehung des Rotors durch das abwechselnde Vorbeilaufen von permanentmagnetischem Material (4) und unmagnetischem Material (10) hervorgerufen wird, zur Erken­ nung der Winkelstellung des Rotors (3) und zur Steuerung der elektronischen Kommutierungseinrichtung (11) verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung des Spannungsabfalles an den Spulen (6, 7) während einer Umdrehung des Rotors dadurch erzeugt wird, daß bei einer halben Umdrehung, während der unmagnetische Teil (10) des Rotors an den Spulen vorbeiläuft, in diesen der volle Spannungsabfall herrscht und während der nächsten halben Umdrehung die Spulenkerne sich durch das Vorbeilaufen des magnetischen Teils (4) des Rotors im Sättigungsbereich be­ finden, wodurch deren Induktivität stark vermindert wird und als Folge dessen sich der Spannungsabfall erheblich reduziert.