DE3932802A1 - Brushless high speed DC vacuum cleaner motor - has electronic commutation for hazardous applications using Hall-effect sensors in permanent magnet rotor with in-built stator current limit - Google Patents
Brushless high speed DC vacuum cleaner motor - has electronic commutation for hazardous applications using Hall-effect sensors in permanent magnet rotor with in-built stator current limitInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Staubsaugermotor, bestehend aus einem Stator mit Erregerwicklung und einem Rotor, der mit einer Turbine zur Erzeugung des Unterdrucks gekoppelt ist, wobei der Motor ein Drehzahlverhalten aufweist, derart, daß beim Verschließen der Saugöffnung des Staubsaugers die Drehzahl des Motors hochläuft und sich ein erhöhter Saugdruck einstellt.The invention relates to a vacuum cleaner motor consisting of a Stator with excitation winding and a rotor with a turbine for Generation of negative pressure is coupled, with the engine on Has speed behavior, such that when closing the Suction opening of the vacuum cleaner the speed of the motor runs up and down sets an increased suction pressure.
Bei Staubsaugern mit dem dargestellten Drehzahlverhalten ist es bisher bekannt, einen Kollektormotor zu verwenden. Ein derartiger Kollektormotor läuft ebenfalls beim Verschließen der Saugöffnung automatisch in der Drehzahl nach oben hoch, was an sich erwünscht ist, um bei Belastung der Saugdüse einen höheren Saugdruck zu erreichen. Nachteilig tritt aber bei diesen Universalmotoren nach Art der Kollektormotoren ein Bürstenfeuer auf, so daß die damit ausgerüsteten Staubsauger nicht in explosionsgefährdeten Räumen eingesetzt werden können. Im übrigen entsprechen derartige mit Kollektormotoren ausgerüstete Staubsauger nicht den sicherheitstechnischen Anforderungen für staubexplosionsgeschützte Industriestaubsauger der Bauart 1 (zündquellenfreie Bauart).So far, it has been the case with vacuum cleaners with the speed behavior shown known to use a collector motor. Such one The collector motor also runs when the suction opening is closed automatically up in speed, which is desirable in order to to achieve a higher suction pressure when the suction nozzle is loaded. However, a disadvantage occurs with these universal motors of the type Collector motors on a brush fire, so that the equipped Vacuum cleaners are not to be used in potentially explosive areas can. Otherwise correspond to those with collector motors Equipped vacuum cleaners do not meet the safety requirements for dust explosion-proof industrial vacuum cleaners type 1 (Ignition source free design).
Es sind auch schon bereits in Verbindung mit einem Frequenzumrichter Asynchronmotoren bekannt, die für Staubsauger verwendet werden. Derartige Asynchronmotoren haben allerdings für Staubsauger den Nachteil, daß sie ein stabiles Drehzahlverhalten aufweisen, so daß auch bei verschlossener Saugeröffnung des Staubsaugers keine Erhöhung der Drehzahl erfolgt. Es werden hierbei lediglich feste Unterdruckwerte von ca. 130 bis 140 mbar erreicht. Bei einem Nachlaufen bzw. Hochlaufen der Drehzahl wird jedoch für einen erhöhten Saugdruck ein Druck von etwa 230 mbar benötigt. They are already connected to a frequency converter Asynchronous motors are known which are used for vacuum cleaners. Such asynchronous motors have the vacuum cleaner Disadvantage that they have a stable speed behavior, so that too with closed vacuum cleaner opening no increase in Speed. Only fixed vacuum values of reached about 130 to 140 mbar. In the event of a run-on or run-up of the However, speed becomes a pressure of about 230 mbar for an increased suction pressure needed.
Um bei bekannten Motoren die in Staubsaugern angeordnet sind, bei Belastung die Drehzahl zu erhöhen, sind bereits Zusatzeinrichtungen bekannt, wobei insbesondere innerhalb des Staubsaugers mit einem Fühler der Unterdruck abgegriffen wird mittels eines Membrandruckschalters oder eines elektrischen Drucksensors. Das Signal des Membrandruckschalters oder Drucksensors wird einer Steuerelektronik bzw. einem Frequenzumrichter zugeführt, wodurch der Motor sprunghaft auf seine Maximaldrehzahl von ca. 25 000 Umdrehungen pro Minute hochgeregelt wird, was einer Frequenz von ca. 400 Hz entspricht.To in known motors which are arranged in vacuum cleaners, at Load to increase the speed are already additional devices known, in particular within the vacuum cleaner with a sensor the vacuum is picked up by means of a membrane pressure switch or an electrical pressure sensor. The signal from the diaphragm pressure switch or pressure sensor is a control electronics or a Frequency converter fed, causing the motor to jump on its Maximum speed of approximately 25,000 revolutions per minute is increased, which corresponds to a frequency of approx. 400 Hz.
Bei einer anderen bekannten Ausführungsform wird der Strom des Motors abgegriffen und einer Steuerelektronik zugeführt, wobei bei Erhöhung des Unterdrucks durch Verkleinerung der Ansaugöffnung der Motor einen geringeren Strom zieht und über diesen Strom wird dann die Frequenz nachgeschoben. Bei einer derartigen Modulation wird der Strom des Staubsaugermotors mit an sich bekannten AD-Modulatoren erzielt. Die bekannten Lösungen sind jedoch relativ aufwendig und störanfällig.In another known embodiment, the current of the motor tapped and fed to a control electronics, with increasing the Vacuum by reducing the intake opening of the engine draws less current and then this frequency becomes the frequency pushed. With such a modulation, the current of the Vacuum cleaner motor achieved with known AD modulators. The However, known solutions are relatively complex and prone to failure.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, einen Staubsaugermotor der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß in konstruktiv einfacher Weise bei relativ geringem Aufwand ein bürstenloser, hochtouriger Hochleistungsgleichstrommotor geschaffen wird, der bei Verkleinerung der Ansaugöffnung in der Drehzahl hochläuft und sich insbesondere für explosionsgefährdete Räume eignet. Die vorliegende Erfindung befaßt sich insbesondere mit der Schaffung eines Motors, der unter Vernachlässigung des Anlaufdrehmoments mit hoher Leistung bei hohen Drehzahlen arbeitet und nur in einer Richtung dreht und hierbei bei einem niedrigen Eisensättigungsgrad einen besonders hohen Wirkungsgrad, d. h. ein sehr hohes Leistungsvolumenverhältnis aufweist. Der Staubsaugermotor nach Art eines bürstenlosen Gleichstrommotors, der mit einer frequenzüberlagerten Gleichspannung betrieben wird, soll auch - um Störungen gering zu halten - eine sehr niedrige Induktivität aufweisen. The object of the present invention is therefore a Vacuum cleaner motor of the type mentioned so that in structurally simple manner with relatively little effort Brushless, high-speed, high-performance DC motor created which runs up in speed when the suction opening is reduced and is particularly suitable for explosive areas. The The present invention is particularly concerned with the creation of a Motor, neglecting the starting torque with high Power works at high speeds and only rotates in one direction and especially with a low level of iron saturation high efficiency, d. H. a very high power volume ratio having. The vacuum cleaner motor like a brushless one DC motor with a frequency superimposed DC voltage is also operated - to keep disruptions to a minimum - a very have low inductance.
Zur Lösung der Aufgabe sind die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 vorgesehen.To solve the problem, the characteristics of the characterizing part of the Claim 1 provided.
Das Wesen der Erfindung liegt darin, daß der Motor mit einem frequenzüberlagerten Gleichstrom betrieben wird, wodurch ausgehend vom Stator ein mit der Frequenz wechselndes trapezförmiges Magnetfeld erzielt wird, welches auf Permanentmagnete des Rotors einwirkt und derart bei hohem Wirkungsgrad den Motor in Drehung versetzt. Die Frequenznachregelung erfolgt hierbei über Hallgeneratoren, die über Permanentmagnete, die im Bereich der Rotorwelle angeordnet sind, angesteuert werden, wodurch der Motor in der Frequenz hochgeregelt wird, bis eine erwünschte Höchstdrehzahl erreicht wird. In Verbindung mit der Frequenzregelung des Motors ist gleichzeitig eine Strombegrenzung vorgesehen, wobei Frequenzregelung und Strombegrenzung über Gatter miteinander verknüpft sind, um den Motor nicht zu überlasten. Die Ansteuerung des Motors selbst erfolgt von Endstufen, wobei im Gegentakt geschaltete Transistoren in Verbindung mit einer Diodenbrücke vorgesehen sind, wobei zur Ansteuerung des Motors ein Gleichstrom erzeugt wird, der mit der Ansteuerfrequenz nach Art eines Sägezahnmusters überlagert ist. Durch die Ansteuerung des Motors im Gegentakt wird ein besonders hoher Wirkungsgrad erzielt, wobei in Verbindung mit der Frequenzansteuerung der Motor besonders schnell, etwa in 1 Sekunde, hochdreht und im weiteren eine sehr hohe Drehzahl von über 30 000 Umdrehungen pro Minute erreicht wird.The essence of the invention is that the motor with one frequency-superimposed direct current is operated, whereby starting from Stator is a trapezoidal magnetic field that changes with frequency is achieved, which acts on permanent magnets of the rotor and so the motor rotates with high efficiency. The Frequency readjustment takes place here via Hall generators which Permanent magnets, which are arranged in the area of the rotor shaft, can be controlled, whereby the motor is regulated in frequency, until a desired maximum speed is reached. In connection with the Frequency control of the motor is also a current limitation provided, frequency control and current limitation via gates are linked together so as not to overload the motor. The The motor itself is controlled by output stages, with push-pull switched transistors provided in connection with a diode bridge are, wherein a direct current is generated to control the motor, the is superimposed with the control frequency in the manner of a sawtooth pattern. By controlling the motor in push-pull a particularly high one Efficiency achieved, in connection with the frequency control the engine turns up particularly quickly, in about 1 second, and in a very high speed of over 30,000 revolutions per minute is achieved.
Hierbei erfolgt eine Begrenzung der Drehzahl durch den Luftdrucksatz in der zweistufigen Turbine und zusätzlich durch das Lüftungsrad für die Wicklungskühlung.The speed is limited by the air pressure set in the two-stage turbine and additionally through the ventilation wheel for the Winding cooling.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist es vorgesehen, daß die Schaltimpulse der Hallsensoren symmetrisch zunächst an den Eingängen der Steuerlogik über Schmitt-Trigger geführt werden, und im weiteren UND-Gattern zugeleitet werden, wo eine Verknüpfung mit einem Flip-Flop betreffend den Anlauf der Schaltung erfolgt und zusätzlich eine Verschaltung über weitere UND-Gatter vorgesehen ist, wo eine Verknüpfung mit der Stromsteuerung der Endstufen erfolgt, derart, daß die Transistoren durchgeschaltet werden, so daß ein mit der Steuerfrequenz der Hallsensoren schwankender Gleichstromverlauf innerhalb der Erregerwicklung entsteht. In dieser Hinsicht werden die Transistoren der Endstufen mit steigendem Strom ein- bzw. abgeschaltet und zwar im Takte der Ansteuerfrequenz, so daß im Bereich der Erregerwicklung ein sägezahnförmiger, schwankender Stromverlauf entsteht. Hierdurch wird ausgehend vom Stator ein trapezförmiges Magnetfeld erzeugt mit vorteilhaft steilen Anstiegsflanken, wobei das Magnetfeld auf die ringförmig angeordneten Permanentmagnete des Rotors wirkt und derart im Takt der Ansteuerfrequenz den Rotor in Drehung versetzt.In an advantageous embodiment, it is provided that the switching pulses of the Hall sensors symmetrically at the inputs of the control logic are routed via Schmitt triggers and further AND gates be forwarded where a link with a flip-flop regarding the circuit is started and an additional connection is made via additional AND gate is provided where a link to the Current control of the output stages takes place in such a way that the transistors be switched through so that a with the control frequency of Hall sensors fluctuating DC current within the Excitation winding arises. In this regard, the transistors of the Power amplifiers switched on or off with increasing current and in cycles the control frequency, so that in the field of excitation winding sawtooth-shaped, fluctuating current curve arises. This will a trapezoidal magnetic field is generated with the stator advantageously steep rising edges, the magnetic field on the ring-shaped permanent magnets of the rotor acts and such in Clock of the control frequency rotates the rotor.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist es vorgesehen, daß im Anlaufzeitpunkt des Motors die Ansteuerung der Endstufen verzögert über ein RC-Glied und über eine zusätzliche Schaltstufe erfolgt, welche im weiteren ein Flip-Flop schaltet, der mit seinem Ausgang UND-Gatter für die Ansteuerung mit den Hallsensoren freigibt, wodurch der Motor gestartet wird.In a further advantageous embodiment it is provided that in Starting time of the motor delays the activation of the output stages an RC element and an additional switching stage, which is in the another flip-flop that switches with its output AND gate for the control with the Hall sensors releases, causing the motor is started.
Nach dem Einschalten der Speisespannung wird demnach der Motor bzw. die Erregerwicklung verzögert zunächst mit einem ansteigenden Stromast beaufschlagt, wodurch der Rotor geringfügig in Drehung versetzt wird und dann über die Ansteuerlogik die Hallsensoren zur Wirkung kommen und im weiteren die Endstufen in der Frequenz nachregeln. Hierbei wird zunächst ausgehend vom Einschaltzeitpunkt des Motors ein ansteigender Stromast erreicht, während bei Einwirkung der Frequenznachsteuerung über die Hallsensoren dann im Scheitelpunkt des Stromastes der Strom abfällt bis zu einem einstellbaren Wert und dann wieder ansteigt und so weiter entsprechend der Steuerspannung der Hallsensoren.After switching on the supply voltage, the motor or the Excitation winding initially decelerates with an increasing current branch applied, whereby the rotor is rotated slightly and then the Hall sensors come into effect via the control logic and in further adjust the frequency of the output stages. This will start with an increasing current load starting from the point at which the motor is switched on reached while under the influence of the frequency readjustment via the Hall sensors then at the apex of the power branch the current drops until to an adjustable value and then rising again and so on according to the control voltage of the Hall sensors.
Die Endstufen sind vorteilhaft zusätzlich über einen Thermoschalter des Motors angesteuert, wobei der Thermoschalter in Verbindung mit einem Schaltglied den Fehlereingang der Endstufen ansteuert. The power amplifiers are also advantageous via a thermal switch Motors controlled, the thermal switch in connection with a Switching element controls the error input of the output stages.
Die Hallsensoren selbst sind vorteilhaft im Bereich der Rotorwelle gegenüberliegend von mit der Rotorwelle rotierenden Magneten angeordnet.The Hall sensors themselves are advantageous in the area of the rotor shaft arranged opposite magnets rotating with the rotor shaft.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist die Erregerwicklung vierpolig geteilt ausgebildet, wobei der Erregerwicklung in gleicher Polzahl ringförmige Permanentmagnete des Stators nach Art einer Ringschale gegenüberstehen.In an advantageous embodiment, the excitation winding is divided into four poles trained, the excitation winding in the same number of poles ring-shaped Face the permanent magnets of the stator in the manner of a ring shell.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist es vorgesehen, daß im Bereich der Erregerwicklung der Luftspalt zum Stator hin entsprechend der Polzahl jeweils verengt asymmetrisch ausgebildet ist, derart, daß sich in Richtung der jeweiligen Verengung des Luftspalts eine vorbestimmte Anlaufrichtung des Motors ergibt.In a further advantageous embodiment it is provided that in Area of the field winding of the air gap towards the stator accordingly the number of poles is narrowed asymmetrically, such that towards the respective narrowing of the air gap predetermined starting direction of the motor results.
Mit der Verengung des Luftspalts zwischen Stator und Rotor wird in konstruktiv einfacher Weise eine stets erwünschte gleiche Anlaufrichtung des Motors erreicht, wobei mit der asymmetrisch ringförmig angeordneten Luftspaltanordnung eine Sättigung der Rotor- bzw. Statorbleche vermieden wird.With the narrowing of the air gap between the stator and rotor, in a constructively simple way, always the same starting direction of the engine reached, with the asymmetrically arranged in a ring Air gap arrangement avoided saturation of the rotor or stator laminations becomes.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen näher beschrieben, wobei aus der Beschreibung noch weitere für die Erfindung wesentliche Vorteile hervorgehen.The invention is explained in more detail below with reference to drawings described, and from the description still further for the invention substantial benefits emerge.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 eine Ansicht des Staubsaugermotors mit angeflanschter Turbine teilweise geschnitten,Partly in section Fig. 1 is a view of the vacuum cleaner motor with a flanged turbine,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Motor in schematischer Darstellung, Fig. 2 is a longitudinal section through the engine in a schematic representation;
Fig. 3 einen Querschnitt durch den Motor in schematischer Darstellung, Fig. 3 shows a cross section through the motor in a schematic representation;
Fig. 4 die Steuerschaltung für den Motor mit der Ansteuerlogik zur Steuerung der Frequenz- und Stromeigenschaften des Motors, Fig. 4, the control circuit for the motor with the control logic circuit for controlling the frequency and power characteristics of the engine,
Fig. 5 der Verlauf des Ansteuerstroms für den Staubsaugermotor am Ausgang der Schaltung nach Fig. 4, Fig. 5, the course of the driving current for the vacuum cleaner motor to the output of the circuit according to Fig. 4,
Fig. 6 den Stromverlauf in der Erregerwicklung, abhängig von der Umdrehungszahl des Motors. Fig. 6 shows the current profile in the field winding, depending on the number of revolutions of the motor.
In Fig. 1 ist der Staubsaugermotor 1 dargestellt mit angeflanschter Turbine 10, wobei der Motor 1 aus Stator 2 mit Erregerwicklung 3 und aus dem Rotor 5 besteht. Der Rotor 5 ist auf einer durchgehenden Rotorwelle 8 angeordnet, auf welcher auch die Turbine 10 mit dem Turbinenrad 11 mit einzelnen Lüfterschaufeln angesetzt ist.In Fig. 1, the vacuum cleaner motor 1 is shown with flange-mounted turbine 10 , wherein the motor 1 consists of stator 2 with excitation winding 3 and the rotor 5 . The rotor 5 is arranged on a continuous rotor shaft 8 , on which the turbine 10 with the turbine wheel 11 with individual fan blades is also attached.
Aus Fig. 1 ist erkenntlich, daß der Rotor 5 dem Stator 2 gegenüberliegend Permanentmagnete 7 aufweist, die seitlich mittels Lagerschalen über Klemmschrauben 23 zusammengehalten werden.From Fig. 1 it can be seen that the rotor 5 opposite the stator 2 has permanent magnets 7 which are held together laterally by means of bearing shells via clamping screws 23 .
Der Motor 1 weist im weiteren selbst ein Lüfterrad 9 auf, wobei Ansaugschlitze 29 und Auslaß-Schlitze 16 vorgesehen sind, um den Motor 1 zu kühlen.The motor 1 furthermore itself has a fan wheel 9 , suction slits 29 and outlet slits 16 being provided in order to cool the motor 1 .
Der Motor 1 ist im Ausführungsbeispiel von einer Abdeckung 32 abgedeckt in Verbindung mit einer nicht näher dargestellten Lagerung des Motors in einem Lagerschild, wobei vorteilhaft das Turbinenrad 11 ebenfalls an gleicher Stelle wie der Motor im Lagerschild gelagert ist, so daß sich dadurch eine vorteilhafte Kühlung der Lagerung ergibt.The motor 1 is covered in the exemplary embodiment by a cover 32 in connection with a bearing of the motor (not shown in more detail) in a bearing plate, the turbine wheel 11 advantageously also being mounted in the same place as the motor in the bearing plate, so that this results in advantageous cooling of the Storage results.
Am Umfang der Turbine 10 sind die Auslaßöffnungen 17 ersichtlich, welche im weiteren mit entsprechenden Luftkanälen im Staubsauger selbst den Unterdruck im Saugrohr des Staubsaugers bewirken.On the circumference of the turbine 10 , the outlet openings 17 can be seen, which furthermore, with corresponding air channels in the vacuum cleaner itself, bring about the negative pressure in the suction pipe of the vacuum cleaner.
In schematischer Darstellung ist aus Fig. 1 weiterhin ersichtlich, daß an der Rotorwelle 8 an der Außenseite der Abdeckung 32 Sensoren 26, vorzugsweise zwei Hallsensoren 26, vorgesehen sind, denen rotierende Permanentmagnete 25 gegenüber stehen, wodurch die für die Ansteuerschaltung nach Fig. 4 notwendige Frequenz besorgt wird, um den Staubsaugermotor in der Drehzahl zu steuern.Schematic representation of Figure 1 is shown in Fig. Can also be seen that on the rotor shaft 8 on the outer side of the cover 32 sensors 26, preferably two Hall sensors 26 are provided, which rotating permanent magnets are 25 opposite, whereby the time necessary for the drive circuit of FIG. 4 Frequency is concerned to control the speed of the vacuum cleaner motor.
In Fig. 2 ist der Motor 2 im Längsschnitt dargestellt, wobei ersichtlich ist, daß an der Rotorwelle Rotorbleche 6 des Rotors angeordnet sind, wobei am Umfang der Rotorbleche 6 nach Art einer Ringschale in schematischer Darstellung die Permanentmagnete 7 angeordnet sind. Diese Permanentmagnete 7 werden ausgehend vom Stator 2 und der Erregerwicklung 3 mit einem vorzugweise trapezförmigen Magnetfeld beaufschlagt, wodurch im Wechsel der Frequenz die Permanentmagnete 7 angestoßen werden und derart der Rotor 5 in Drehung versetzt wird.In Fig. 2, the motor 2 is shown in longitudinal section, it being apparent that rotor plates 6 of the rotor are arranged on the rotor shaft, the permanent magnets 7 being arranged in a schematic representation on the circumference of the rotor plates 6 in the manner of an annular shell. Starting from the stator 2 and the excitation winding 3, these permanent magnets 7 are acted upon by a preferably trapezoidal magnetic field, as a result of which the permanent magnets 7 are triggered in alternation of the frequency and the rotor 5 is thus set in rotation.
Zwischen Rotor 5 und Stator 2 ist im weiteren ein Luftspalt 4 ersichtlich, der nach Fig. 3 in ringförmiger Anordnung jeweils der Polzahl entsprechend eine Verengung 24 aufweist, so daß insgesamt der Luftspalt 4 von Erregerwicklung 3 bis zur nächsten Erregerwicklung 3 unsymmetrisch verläuft. Derart wird erreicht, daß der Motor 1 stets mit einer bevorzugten Anlaufrichtung andreht.Between the rotor 5 and the stator 2 , an air gap 4 can also be seen, which, according to FIG. 3, has a narrowing 24 in accordance with the number of poles in an annular arrangement, so that the air gap 4 as a whole runs asymmetrically from the excitation winding 3 to the next excitation winding 3 . In this way it is achieved that the motor 1 always rotates with a preferred starting direction.
Aus Fig. 2 sind in schematischer Darstellung die Hallsensoren 26 deutlich erkennbar mit den an der Rotorwelle 8 rotierend angeordneten Permanentmagneten 25, welche in den Hallsensoren 26 ein ebenfalls trapezförmiges Spannungspotential hervorrufen, welches im weiteren zur Frequenzansteuerung hinsichtlich der Schaltung nach Fig. 4 dient.From Fig. 2, the Hall sensors 26 are clearly recognizable in a schematic representation with the permanent magnets 25 rotatingly arranged on the rotor shaft 8 , which cause a likewise trapezoidal voltage potential in the Hall sensors 26 , which further serves for frequency control with regard to the circuit according to FIG. 4.
Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß die Erregerwicklung 3 gemäß einer Vierpolanordnung ausgebildet ist, der eine Ringschale 18 - gebildet aus Permanentmagneten 7 - gegenüber steht, wobei die Permanentmagnete 7 ebenfalls in einer Vierpolanordnung auf der Rotorwelle 8 angeordnet sind. Der Rotor 5 wird demnach von Rotorblechen 6 gebildet, die in geschachtelter Anordnung nach Art eines Pakets auf der Rotorwelle 8 angeordnet sind, wobei am Umfang der Rotorbleche 6 die Ringschale 18, gebildet von den Permanentmagneten 7, angeordnet ist.From Fig. 3 it can be seen that the excitation winding 3 is formed according to a four-pole arrangement, which is opposed by an annular shell 18 - formed from permanent magnets 7 - the permanent magnets 7 also being arranged in a four-pole arrangement on the rotor shaft 8 . The rotor 5 is accordingly formed by rotor plates 6 , which are arranged in a nested arrangement in the manner of a package on the rotor shaft 8 , the annular shell 18 , formed by the permanent magnets 7 , being arranged on the circumference of the rotor plates 6 .
Im Bereich einer Erregerwicklung 3 nach Fig. 3 ist im weiteren ein Thermoschalter THS1 angeordnet, der mit seinem Eingang an der Schaltung nach Fig. 4 anliegt, wobei über einen Schmitt-Trigger die Endstufen angesteuert werden, um bei einer Überhitzung des Motors im Bereich des Fehlereingangs der Endstufen für eine Stromabschaltung zu sorgen.In the area of an excitation winding 3 according to FIG. 3 there is further arranged a thermal switch THS 1 , which has its input connected to the circuit according to FIG. 4, the output stages being controlled via a Schmitt trigger in order to prevent the motor from overheating in the area the fault input of the output stages to ensure a current shutdown.
Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß die Permanentmagnete 7 des Rotors 5 in ringförmiger Hintereinanderschaltung in Nord-Süd-Anordnung vorgesehen sind, wobei die Erregerwicklungen 3 des Stators in Verbindung mit der Stromkurve nach Fig. 5 und dem dargestellten Frequenzverlauf ein Wechselfeld ausbilden, welches im Bereich der Erregerwicklungen 3 des Stators 2 schematisch eingezeichnet ist. Über dieses vorzugsweise trapezförmige Wechselfeld werden die Permanentmagnete 7 des Rotors 5 im Takt der Frequenz, ausgehend von den Hall-Generatoren 26 angestoßen, wodurch sich ein Anschwingen der Schaltung ergibt und der Motor in sehr kurzer Zeit von etwa 1 Sekunde auf seine Maximaldrehzahl von über 20 000 Umdrehungen pro Minute hochdreht.From Fig. 3 it can be seen that the permanent magnets 7 of the rotor 5 are provided in a ring-shaped series connection in a north-south arrangement, the excitation windings 3 of the stator in conjunction with the current curve according to FIG. 5 and the frequency curve shown form an alternating field, which is shown schematically in the area of the excitation windings 3 of the stator 2 . Via this preferably trapezoidal alternating field, the permanent magnets 7 of the rotor 5 are triggered in time with the frequency, starting from the Hall generators 26 , which causes the circuit to oscillate and the motor to reach its maximum speed of over 20 in a very short time of about 1 second Revs up 000 revolutions per minute.
Die Drehzahl selbst unterliegt bei diesem Hochdrehen des Motors keiner Begrenzung. Es ist lediglich nach Fig. 6 eine Strombegrenzung der Erregerwicklung 3 des Motors vorgesehen in Verbindung mit der Ansteuerlogik nach Fig. 4. Der Motor kann deshalb Drehzahlen zwischen 20 000 und 30 000 Umdrehungen pro Minute erreichen, wodurch die Drehzahlbegrenzung lediglich in der mechanischen Eigenschaft der Turbinenräder der Turbine und des Lüfterrades begründet ist.The speed itself is not limited when the engine is cranked up. Only a current limitation of the field winding 3 of the motor is provided according to FIG. 6 in connection with the control logic according to FIG. 4. The motor can therefore reach speeds between 20,000 and 30,000 revolutions per minute, whereby the speed limitation only in the mechanical property of the Turbine wheels of the turbine and the fan wheel is justified.
In Fig. 4 ist nach Art einer Blockschaltung die Ansteuerung für die Erregerwicklungen 3 des Motors 1 dargestellt.In FIG. 4 the manner of a block circuit diagram illustrating the control for the field windings 3 of the engine 1.
Der Motor 1 wird hierbei mit seiner Erregerwicklung 3 an den Ausgängen K1, K2 (Mot B, Mot A) angeschlossen. Die weiteren Ausgänge K3 und K4 (+ UM,-UM) der Schaltung nach Fig. 4 werden an Betriebsspannung von vorzugsweise 270 Volt Gleichspannung gelegt, die in einem hier nicht näher dargestellten Netzgerät erzeugt wird.The motor 1 is connected with its excitation winding 3 to the outputs K 1 , K 2 (Mot B, Mot A). The further outputs K 3 and K 4 (+ U M , -U M ) of the circuit according to FIG. 4 are connected to an operating voltage of preferably 270 volts DC, which is generated in a power supply unit, not shown here.
Die Schaltungsausgänge K5 und K6 führen an Masse bzw. an 15 Volt Gleichspannung zur Versorgung der Steuerlogik nach Fig. 4, wobei die Versorgungsspannung ebenfalls in einem nicht näher dargestellten Netzteil mit Stabilisierungseinrichtungen erzeugt wird.The circuit outputs K 5 and K 6 lead to ground or to 15 volts DC voltage to supply the control logic according to FIG. 4, the supply voltage also being generated in a power supply unit, not shown, with stabilizing devices.
Die weiteren Ausgänge K7/1 bis K7/5 der Schaltung führen an den Motor bzw. an dessen Steuerplatine. Der Ausgang K7/1 versorgt hierbei die Steuerplatine des Motors und die darauf angeordnete Schaltung mit Steuerspannung von 15 Volt Gleichspannung. Der Ausgang K7/5 ist an Masse gelegt.The other outputs K 7/1 to K 7/5 of the circuit lead to the motor or its control board. The output K 7/1 supplies the control board of the motor and the circuit arranged on it with a control voltage of 15 volts DC. The K 7/5 output is connected to ground.
Die Ausgänge K7/2 und K7/3 der Schaltung nach Fig. 4 führen zu den Hallsensoren 26 bzw. HS1 und HS2. Der Ausgang K7/4 führt zu dem Thermoschalter 35 des Motors bzw. zu dem Schalter THS Mot.The outputs K 7/2 and K 7/3 of the circuit according to FIG. 4 lead to the Hall sensors 26 or HS 1 and HS 2 . The output K 7/4 leads to the thermal switch 35 of the motor or to the switch THS Mot.
In der Schaltung nach Fig. 4 sind die beiden Endstufen 28 als integrierte Schaltungen IV1 und IV2 ersichtlich, an deren Ausgängen die Transistoren T1 , T2 und T3 , T4 in Verbindung mit einer Diodenbrücke D1 und D2 angeschlossen sind, wobei von einem Brückenzweig der Diodenbrücke D1 und D2 die Ausgänge K1, K2 zur Anschaltung der Erregerwicklung 3 des Motors ausgehen.In the circuit of Fig. 4, the two amplifiers 28 as integrated circuits IV 1 and IV 2 are shown at the outputs of the transistors T 1, T 2 and T 3, T 4 in conjunction with a diode bridge D 1 and D 2 are connected , the outputs K 1 , K 2 for connecting the excitation winding 3 of the motor starting from a bridge branch of the diode bridge D 1 and D 2 .
Die Endstufen 28, die als Frequenzumrichter 27 wirken, werden von einer Ansteuerlogik angesteuert, wobei zunächst die Versorgungsspannung von 15 Volt Gleichspannung über die RC-Glieder R8 und C7 an einen Schmitt-Trigger IV6/C gelegt wird. Der Ausgang des Schmitt-Triggers IV6/C steuert ein Flip-Flop IV6/A und IV6/B, wodurch mit dem Ausgang des Flip-Flops die Eingangsschaltung im Bereich der Hallsensoren 26 gestartet wird. The output stages 28 , which act as frequency converters 27 , are controlled by a control logic, the supply voltage of 15 volts DC voltage being first applied to a Schmitt trigger IV 6 / C via the RC elements R 8 and C 7 . The output of the Schmitt trigger IV 6 / C controls a flip-flop IV 6 / A and IV 6 / B, whereby the input circuit in the area of the Hall sensors 26 is started with the output of the flip-flop.
Die Hallsensoren 26 - hier an den Ausgängen HS1 und HS2 - liegen zum einen über die Schmitt-Trigger IV4/C und IV4/D direkt am Frequenzeingang-Trip1 der Endstufen 28 und zum anderen sind die Hallgeneratoren 26 mit einer Frequenz- und Stromsteuerung verknüpft.The Hall sensors 26 - here at the outputs HS 1 and HS 2 - are on the one hand via the Schmitt trigger IV 4 / C and IV 4 / D directly at the frequency input trip 1 of the output stages 28 and on the other hand are the Hall generators 26 with one frequency - and current control linked.
Diese Verknüpfung dient dazu, um den Motor hinsichtlich einer gewissen Stromstärke der Erregerwicklungen 3 zu begrenzen und zum anderen dem Strom der Erregerwicklungen eine Frequenz aufzuzwingen, mit denen die Transistoren T1, T4 bzw. T2 und T3 in Verbindung mit der Diodenbrücke D1, D2 durchschalten. Diese Frequenz rührt von den Hallsensoren 26 nach Fig. 2 her, wo in Verbindung mit den rotierenden Magneten 25 ein vorzugsweise trapezförmiges Frequenzmuster erzeugt wird, welches im weiteren in der Ansteuerlogik nach Fig. 4 zusammen mit der Stromsteuerung verknüpft wird, um derart an den Erregerwicklungen bzw. am Ausgang der Schaltung nach Fig. 4 einen Stromverlauf nach Fig. 5 zu erhalten.This link serves to limit the motor with respect to a certain current strength of the excitation windings 3 and on the other hand to impose a frequency on the current of the excitation windings with which the transistors T 1 , T 4 or T 2 and T 3 in connection with the diode bridge D Switch through 1 , D 2 . This frequency originates from the Hall sensors 26 according to FIG. 2, where in connection with the rotating magnets 25 a preferably trapezoidal frequency pattern is generated, which is further linked in the control logic according to FIG. 4 together with the current control, in order in this way to the excitation windings or to obtain a current profile according to FIG. 5 at the output of the circuit according to FIG. 4.
Nach Fig. 5 ist erkenntlich, daß der Strom I - ausgehend vom Nullpunkt - schnell ansteigt und dann im Scheitelpunkt die Transistoren T1, T4 bzw. T2, T3 durchschalten, wodurch der Ausgangsstrom in Begrenzung sägezahnförmig mit einem Frequenzgemisch, ausgehend von den Hallsensoren 26, moduliert wird.According to Fig. 5 it can be seen that the current I - starting from the zero point - rises rapidly and then the transistors T 1 , T 4 or T 2 , T 3 turn on at the apex, whereby the output current is sawtooth-shaped with a frequency mixture, starting from the Hall sensors 26 is modulated.
In Verbindung damit stellt sich nach Fig. 6 eine Strombegrenzung bei etwa 10 Ampere ein, wobei dieser Strom der Erregerwicklung 3 auch bei höheren Drehzahlen von über 20 000 Umdrehungen pro Minute begrenzt bleibt.In connection with this, according to FIG. 6, there is a current limitation at approximately 10 amperes, this current of the excitation winding 3 remaining limited even at higher speeds of over 20,000 revolutions per minute.
Zur Verknüpfung der Frequenz mit der Strombegrenzung werden nach Fig. 4 die Ausgänge der Hallsensoren 26 auf Schmitt-Trigger IV4/A und IV4/B geführt, die mit ihren Ausgängen an UND-Gattern IV3/A und IV3/B anliegen. An den weiteren Eingängen dieser UND-Gatter IV3/A und IV3/B liegt im übrigen das Startsignal für den Motor - ausgehend von dem Flip-Flop IV6/A und IV6/B. To associate the frequency with the current limit, the outputs of the Hall sensors are shown in FIG. 4 performed 26 Schmitt trigger IV 4 / A and IV 4 / B, which with their outputs to AND gates IV 3 / A and abut IV 3 / B . At the other inputs of these AND gates IV 3 / A and IV 3 / B is the start signal for the motor - starting from the flip-flop IV 6 / A and IV 6 / B.
Der Ausgang der UND-Gatter IV3/A und IV3/B ist als Eingang zu weiteren UND-Gattern IV3/C und IV3/D geführt, die im weiteren mit der Versorgungsspannung und mit einem Verstärker IV5/B zur Strombegrenzung verknüpft sind. An einem Eingang des Verstärkers IV5/B, der zur Strombegrenzung dient, liegt das Frequenzgemisch aus den Hallsensoren 26 an, welches im weiteren zum Frequenzeingang der Endstufen 28 geführt wird.The output of the AND gates IV 3 / A and IV 3 / B is led as an input to further AND gates IV 3 / C and IV 3 / D, which are further connected to the supply voltage and an amplifier IV 5 / B for current limitation are linked. The frequency mixture from the Hall sensors 26 is present at an input of the amplifier IV 5 / B, which is used to limit the current, and this is then passed to the frequency input of the output stages 28 .
Am Ausgang der Verknüpfung, ausgehend von den UND-Gattern IV3/C und IV3/D liegt ein Eingang TOP der Endstufe 28 an, wodurch hier in Verbindung mit der Ansteuerfrequenz eine Strombegrenzung erreicht wird.At the output of the link, starting from the AND gates IV3 / C and IV 3 / D, there is an input TOP of the output stage 28 , as a result of which a current limitation is achieved in connection with the control frequency.
Im weiteren ist nach der Schaltung nach Fig. 4 noch der Anschluß eines Thermoschalters 35 bzw. THS1 über den Eingang H7/4 vorgesehen, wobei dieser Thermoschalter über einen Schmitt-Trigger IV6/D an die Fehlereingänge der Endstufen geführt ist und im weiteren auch am Eingang des Flip-Flops IV6/A anliegt, um derart - etwa bei einer Überhitzung des Motors - ein Starten der Steuerlogik zu verbinden und somit eine Unterbrechung des Motors 1 zu erreichen.Furthermore, after the circuit of Fig. 4 or the terminal of a thermal switch 35 and THS 1 is provided via the input H 7/4 said thermal switch 6 / D is fed to the error input of the power amplifiers via a schmitt trigger IV and is also present at the input of the flip-flop IV 6 / A in order to connect the control logic to start, for example when the engine overheats, and thus to interrupt the engine 1 .
Die Schaltung nach Fig. 4 funktioniert wie folgt:
Am Eingang der Schaltung liegt zunächst über die Anschlüsse K3 und K4
die Betriebsspannung von ungefähr 250 Volt Gleichstrom an, wobei die
Transistoren T1 bis T4 an der Basis mit Widerständen R1 bis R4
geschaltet sind, um sicherzustellen, daß beim Abschalten der
Spannungsversorgung die Gleichspannung sofort auf Null abfällt.The circuit according to FIG. 4 works as follows:
At the input of the circuit, the operating voltage of approximately 250 volts DC is initially present via the connections K 3 and K 4 , the transistors T 1 to T 4 being connected to the base with resistors R 1 to R 4 to ensure that when switching off the voltage supply immediately drops to zero.
Für die Versorgungsspannung von 15 Volt Gleichspannung betreffend die Steuerlogik ist - hier nicht dargestellt - ein Transformator in Verbindung mit einem Gleichrichter vorgesehen, wobei die Spannung in an sich bekannter Weise mit einem zusätzlichen Spannungs-Stabilisator stabilisiert wird. For the supply voltage of 15 volts DC regarding the Control logic is - not shown here - a transformer in Connection provided with a rectifier, the voltage in in a known manner with an additional voltage stabilizer is stabilized.
Wenn demnach zunächst die Netzspannung von 220 Volt Wechselspannung angelegt wird, so entsteht im Netzteil zur Versorgung der Endstufen und des Motors eine Spannung von etwa 270 Volt Gleichspannung und im weiteren 15 Volt für die Steuerlogik.So if the mains voltage is 220 volts AC is created, the power supply to supply the power amplifiers and the motor has a voltage of about 270 volts DC and another 15 volts for the control logic.
Nach einer Verzögerung über das RC-Glied R8 und C7 entsteht ein negativer Puls am Ausgang von IV6/C, welcher das Flip-Flop IV6/A und IV6/B zurücksetzt.After a delay via the RC element R 8 and C 7 , a negative pulse arises at the output of IV 6 / C, which resets the flip-flop IV 6 / A and IV 6 / B.
Nun gelangt der Ausgang 4 dieses Flip-Flops auf einen höheren Spannungspegel, wodurch die UND-Gatter IV3/A und IV3/B aktiviert werden.Now the output 4 of this flip-flop reaches a higher voltage level, whereby the AND gates IV 3 / A and IV 3 / B are activated.
Das Signal von den Hallsensoren 26 bzw. HS1 und HS2 gelangt nun an die Schmitt-Trigger IV4/C und IV4/D, wodurch mit den erzeugten Signalen der Motor startet.The signal from the Hall sensors 26 or HS 1 and HS 2 now reaches the Schmitt triggers IV 4 / C and IV 4 / D, whereby the motor starts with the signals generated.
Der Motor 1 erreicht hierbei seine maximale Umdrehungszahl in etwa 1 Sekunde.The engine 1 reaches its maximum number of revolutions in about 1 second.
Die Schmitt-Trigger IV4/C und IV4/D dienen hierbei dazu, um das Frequenz-Signal der Hallsensoren 26 in ein Spannungssignal umzuwandeln. In dieser Hinsicht wird eine Abhängigkeit der Umdrehungszahl von dem Strom nach Art einer Begrenzung gemäß Fig. 6 erreicht.The Schmitt triggers IV 4 / C and IV 4 / D are used to convert the frequency signal of the Hall sensors 26 into a voltage signal. In this regard, a dependence of the number of revolutions on the current is achieved in the manner of a limitation according to FIG. 6.
Wenn der Rotor des Motors z. B. mechanisch angehalten wird, so fließen demnach gemäß Fig. 6 nur drei Ampere über die Erregerwicklung 3, so daß der Motor nicht überhitzt wird.If the rotor of the motor z. B. is stopped mechanically, so according to FIG. 6 only three amperes flow through the excitation winding 3 , so that the motor is not overheated.
Es ist aber zusätzlich über den Eingang K7/4 ein Motorschalter THS1 bzw. THS Mot vorgesehen, der zwischen die Motorwindungen eingeschaltet ist, wodurch bei einem Anstieg der Temperatur der Schalter THS1 öffnet und den Schmitt-Trigger IV6/D auf Null setzt, wodurch ebenfalls das Flip-Flop IV6/A und IV6/B zurückgesetzt wird, wodurch die Endstufen 28 von der Versorgungsspannung elektronisch abgeschaltet werden. However, a motor switch THS 1 or THS Mot is also provided via input K 7/4 , which is switched between the motor windings, which causes the switch THS 1 to open and the Schmitt trigger IV 6 / D to zero when the temperature rises sets, which also resets the flip-flop IV 6 / A and IV 6 / B, whereby the output stages 28 are switched off electronically by the supply voltage.
In Verbindung mit Fig. 5 wird bei einem Durchsteuern der Ansteuerlogik erreicht, daß nach einigen Sekundenbruchteilen die Transistoren T1 und T4 oder T3 und T2 durchschalten, wodurch die Erregerwicklung unter Strom gesetzt wird und der Motor andreht.In connection with FIG. 5, when the control logic is turned on, the transistors T 1 and T 4 or T 3 and T 2 turn on after a few fractions of a second, as a result of which the excitation winding is energized and the motor turns.
Der maximale Strompegel der Erregerwicklungen 3 wird über den Verstärker IV5/B geregelt. Sobald der Strom den maximalen Pegel erreicht, schaltet der Ausgang 7 des Verstärkers IV5/B auf Null, wodurch die UND-Gatter IV3/C und IV3/D gesperrt werden. Hierdurch geht der Eingang 22 (Top) der Endstufen 28 gegen Null, so daß die Transistoren T1 oder T2 geschlossen werden. Im weiteren fließt nun der Strom durch die Diode D2 und den Transistor T4 oder T2, wodurch der Stromverlauf nach Fig. 5 sägezahnförmig entsprechend der angelegten Frequenz moduliert wird. Mit dieser Frequenz wird der Motor zwangsweise hochgesteuert, wobei in Verbindung mit den Hallsensoren 26 nach Art einer Rückkopplung ein Anschwingen des Motors hinsichtlich der Drehzahl eintritt, wodurch der Motor sehr schnell anläuft und sehr hohe Drehzahlen im Leerlauf bis zu 100 000 Umdrehungen pro Minute erreichen kann, in Abhängigkeit von den mechanischen Festigkeiten der bewegten Teile und in Abhängigkeit von den pneumatischen Eigenschaften der Turbine. The maximum current level of the excitation windings 3 is regulated by the amplifier IV 5 / B. As soon as the current reaches the maximum level, the output 7 of the amplifier IV 5 / B switches to zero, as a result of which the AND gates IV 3 / C and IV 3 / D are blocked. As a result, the input 22 (top) of the output stages 28 approaches zero, so that the transistors T 1 or T 2 are closed. Furthermore, the current now flows through the diode D 2 and the transistor T 4 or T 2 , as a result of which the current profile according to FIG. 5 is modulated in a sawtooth shape in accordance with the frequency applied. At this frequency, the motor is forcibly steered upwards, and in connection with the Hall sensors 26 , the motor starts to oscillate in terms of speed in the manner of a feedback, as a result of which the motor starts up very quickly and very high speeds can reach up to 100,000 revolutions per minute when idling , depending on the mechanical strength of the moving parts and depending on the pneumatic properties of the turbine.
Zeichnungs-LegendeDrawing legend
1 Motor
2 Stator 32 Abdeckung
3 Erregerwicklung
4 Luftspalt
5 Rotor 35 THS1-Thermoschalter
6 Rotorblech
7 Permanentmagnet
8 Rotorwelle
9 Lüfterrad
10 Turbine
11 Turbinenrad 1 engine
2 stator 32 cover
3 excitation winding
4 air gap
5 Rotor 35 THS 1 thermal switch
6 rotor plate
7 permanent magnet
8 rotor shaft
9 fan wheel
10 turbine
11 turbine wheel
16 Auslaßschlitz
17 Auslaßöffnung
18 Ringschale 16 outlet slot
17 outlet opening
18 ring bowl
23 Klemmschraube
24 Verengung
25 Permanentmagnet
26 Hallsensor
27 Frequenzumrichter
28 Endstufe
29 Ansaugschlitz 23 clamping screw
24 narrowing
25 permanent magnet
26 Hall sensor
27 frequency converters
28 power amplifier
29 suction slot
Claims (7)
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