EP4331104A1 - Verfahren zum anlaufen eines rotors eines klauenpolmotors - Google Patents

Verfahren zum anlaufen eines rotors eines klauenpolmotors

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EP4331104A1
EP4331104A1 EP22721648.8A EP22721648A EP4331104A1 EP 4331104 A1 EP4331104 A1 EP 4331104A1 EP 22721648 A EP22721648 A EP 22721648A EP 4331104 A1 EP4331104 A1 EP 4331104A1
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EP
European Patent Office
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rotor
hall sensor
offset
phase
stator
Prior art date
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Pending
Application number
EP22721648.8A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Igor Pepelyaev
Sören Rebel
Tobias Roth
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Buehler Motor GmbH
Original Assignee
Buehler Motor GmbH
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Publication date
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    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
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    • H02P6/20—Arrangements for starting
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
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    • H02P6/16—Circuit arrangements for detecting position
    • H02P6/18—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements
    • H02P6/182—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements using back-emf in windings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • H02P2207/00—Indexing scheme relating to controlling arrangements characterised by the type of motor
    • H02P2207/05—Synchronous machines, e.g. with permanent magnets or DC excitation

Definitions

  • the invention relates to a method for starting a rotor of a single-phase claw-pole motor according to the subject matter of patent claim 1.
  • Pumps can be used, for example, in motor vehicles for pumping and transporting liquids, such as coolant.
  • Such pumps are usually operated by means of an electric drive which is operatively connected to the rotor of the pump.
  • Single-phase claw-pole motors which have a permanently excited rotor and an electronically commutated stator, can be used as the electrical drive.
  • a fall sensor is used to determine the relative rotor position, which is necessary to commutate the current in the stator winding so that rotation of the rotor can result.
  • the object of the invention is to prevent a rotor of a pump from starting up incorrectly, in particular in the case of a single-phase claw-pole motor. This object is achieved by the method according to patent claim 1.
  • the method according to the invention according to claim 1 is provided for starting a rotor of a single-phase claw-pole motor, the claw-pole motor comprising a permanently excited rotor with a plurality of detent positions, with the rotor moving in one direction in nominal operation, and an electronically commutated stator and a Hall sensor for Determination of the relative rotor position includes.
  • the procedure includes the following steps: a. Starting the rotor by at least one commutation of a stator winding based on a Hall sensor signal and b.
  • the rotor of a pump can be locked at any number of points, preferably 8 points, by detents when it is not energized.
  • the pump electronics start the pump taking into account the signals from a Hall sensor which is mounted on the stator or on an electronic circuit board and is arranged offset in the direction of rotation with respect to a central position of a stator pole.
  • the rotor position before start-up is defined by the cogging torque (defined by the magnetic circuit), friction and external torques (e.g. due to hydraulic circuit overcurrent).
  • the pump rotor When starting from the rest position (locked position), the pump rotor must overcome the short motor counter-torque after the first commutation in the direction of rotation, i.e. sufficient rotational energy must be generated.
  • the direction is reversed and the rotor may start up incorrectly.
  • the commutation point in time can be shifted (e.g. due to the magnetization of the magnets and the positioning of the Hall sensor) and lead to the same problem.
  • the rotor starts up, at least one commutation of a stator winding is applied based on a Hall sensor signal.
  • these are preferably three commutations.
  • several commutations are generated by means of pulse width modulated phase voltage (PWM) based on a Hall sensor signal, the Hall sensor being mounted on the stator or on an electronic circuit board and being offset in the direction of rotation with respect to a central position of a stator pole. This results in the correct direction of rotation of the rotor. Conversely, this means that incorrect starting of the rotor or the pump is advantageously prevented.
  • PWM pulse width modulated phase voltage
  • phase offset between phase voltage and phase current during a number of commutations by means of pulse-width-modulated phase voltage due to a Hall sensor signal.
  • a phase shift in this context is created by applying an AC voltage to the stator winding. The phase shift mentioned depends on the current applied and the resulting speed of the rotor. Reducing the duty cycle of the pulse width modulated phase voltage reduces the applied current, which leads to a reduction in the phase offset. The speed of the rotor also changes to a lesser extent.
  • the Hall sensor preferably has an offset of preferably 28°.
  • the phase offset is greater than the offset of the Hall sensor.
  • the phase offset is smaller or larger than the offset of the Hall sensor.
  • phase offset is also smaller than the offset of the Hall sensor due to the slow rotation of the rotor and the uniform energization of the stator winding.
  • a further refinement provides that a period of the pulse-width-modulated phase voltage can be changed as a function of the voltage on the basis of a Hall sensor signal.
  • PWM pulses pulse width modulated phase voltage
  • a stator winding is additionally energized by commutation of power electronics.
  • the power electronics include electronic components such as MOSFET, IGBT or other corresponding electronic components known to those skilled in the art.
  • the single-phase claw-pole motor is used in electric pumps, especially in electric centrifugal pumps.
  • electric liquid pumps are also conceivable for the application.
  • FIG. 2 shows a process flow diagram of a start-up of a single-phase
  • FIG. 1 shows a process flowchart for starting a single-phase claw-pole motor according to the prior art.
  • the motor phases are commutated with a 100% duty cycle in relation to the frequency of the Hall sensor, after which another commutation operating mode can be selected, for example a continued 100% duty cycle or a regulated speed, or a controlled or regulated motor operation.
  • the rotor can start in the correct direction or in the opposite direction, which can result in what is known as a false start. In other words is the
  • the rotor position taken by the rotor before start-up depends on the tolerances or inaccuracies on the following components:
  • the (weak) acceleration of the rotor when starting from the rest position in the actually correct direction of movement is converted into braking energy during the movement, causing the rotor to brake and stop.
  • an acceleration acts on the rotor in the opposite direction to the running direction and a braking direction in the running direction so that the rotor moves in the opposite direction to the running direction and a false start can occur.
  • FIG. 2 shows a process flow chart for starting a single-phase claw-pole motor according to the present invention.
  • a rotor of the single-phase claw-pole motor is started by at least one commutation of a stator winding based on a Hall sensor signal.
  • several commutations are generated using a pulse width modulated phase voltage based on a Hall sensor signal.
  • PWM pulses pulse width modulated phase voltage
  • Any operation can then be carried out, for example a pulse duty factor of 100%, or a regulated speed, or a controlled or regulated engine operation.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anlaufen eines Rotors eines einphasigen Klauenpolmotors, wobei der Klauenpolmotor einen permanenterregten Rotor mit einer Mehrzahl von Rastpositionen umfasst, wobei der Rotor im Nominalbetrieb eine Bewegung in eine Laufrichtung ausführt, einen elektronisch kommutierten Stator und einen Hallsensor zur Bestimmung der relativen Rotorlage umfasst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a. Anlauf des Rotors durch mindestens eine Kommutierung einer Statorwicklung aufgrund eines Hallsensorsignals; b. Erzeugung mehrerer Kommutierungen mittels Pulsweitenmodulierter Phasenspannung aufgrund eines Hallsensorsignals, wobei der Hallsensor am Stator oder an einer Elektronikleiterplatte montiert ist und hinsichtlich einer Mittelposition eines Statorpols in Drehrichtung versetzt angeordnet ist.

Description

Titel: Verfahren zum Anlaufen eines Rotors eines Klauenpolmotors
BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anlaufen eines Rotors eines einphasigen Klauenpolmotors gemäß dem Gegenstand des Patentanspruchs 1.
Pumpen können beispielsweise in Kraftfahrzeugen zur Förderung und Transport von Flüssigkeiten, etwa Kühlflüssigkeit, eingesetzt werden. Üblicherweise werden derartige Pumpen mittels eines elektrischen Antriebs betrieben, der mit dem Rotor der Pumpe in Wirkverbindung steht. Als elektrischer Antrieb können hierbei einphasige Klauenpolmotoren zum Einsatz kommen, die einen permanenterregten Rotor und einen elektronisch kommutiertem Stator aufweisen. Ein Flallsensor wird verwendet um die relative Rotorlage zu bestimmen, welche notwendig ist um den Strom in der Statorwicklung zu kommutieren, damit eine Drehbewegung des Rotors resultieren kann.
Etwa durch Windmilling-Effekte kann es passieren, dass die Rastposition des Rotors ungünstig liegt, so dass dieser beim Anlaufen Schwierigkeiten haben könnte, das Gegenmoment bei der ersten Kommutierung zu überwinden. Hier besteht die Gefahr eines Falschanlaufs der Pumpe, das heißt, das Anlaufen und die Bewegung des Rotors erfolgt entgegen der Laufrichtung im Nominalbetrieb. Auch durch ein zu geringes Rastmoment oder durch viel Reibung besteht die Gefahr eines Falschanlaufs der Pumpe. Aufgabe der Erfindung ist es einen Falschanlauf eines Rotors einer Pumpe, insbesondere bei einem einphasigen Klauenpolmotor, zu verhindern. Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1.
Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Patentanspruch 1 ist vorgesehen zum Anlaufen eines Rotors eines einphasigen Klauenpolmotors, wobei der Klauenpolmotor einen permanenterregten Rotor mit einer Mehrzahl von Rastpositionen umfasst, wobei der Rotor im Nominalbetrieb eine Bewegung in eine Laufrichtung ausführt, und einen elektronisch kommutierten Stator und einen Hallsensor zur Bestimmung der relativen Rotorlage umfasst. Das Verfahren beinhaltet folgende Schritte: a. Anlauf des Rotors durch mindestens eine Kommutierung einer Statorwicklung aufgrund eines Hallsensorsignals und b. Erzeugung mehrerer Kommutierungen mittels Pulsweitenmodulierter Phasenspannung aufgrund eines Hallsensorsignals, wobei der Hallsensor am Stator oder an einer Elektronikleiterplatte montiert ist und hinsichtlich einer Mittelposition eines Statorpols in Drehrichtung versetzt angeordnet ist.
Der Rotor einer Pumpe kann an einer beliebigen Anzahl von Stellen, bevorzugt 8 Stellen, durch Rasten arretieren wenn dieser unbestromt ist. Die Pumpenelektronik fährt die Pumpe unter Berücksichtigung der Signale eines Hall-Sensors an, der am Stator oder an einer Elektronikleiterplatte montiert ist und hinsichtlich einer Mittelposition eines Statorpols in Drehrichtung versetzt angeordnet ist. Die Rotorposition vor dem Anlauf ist vom Rastmoment (vom magnetischen Kreis definiert), Reibung und externen Momenten (zum Beispiel wegen Überströmen des hydraulischen Kreises) definiert. Der Pumpenrotor muss bei Anlauf aus der Ruhelage (Rastlage) das kurze motorische Gegenmoment nach der ersten Kommutierung in Drehrichtung überwinden, sprich es muss genügend rotatorische Energie erzeugt werden. Gelingt dies nicht, erfolgt eine Richtungsumkehr und damit ist ein Falschanlauf des Rotors möglich. Weiterhin kann der Kommutierungszeitpunkt verschoben sein (etwa durch Magnetisierung der Magneten und der Positionierung des Hallsensors) und zum gleichen Problem führen. Beim Anlauf des Rotors wird mindestens eine Kommutierung einer Statorwicklung aufgrund eines Hallsensorsignals angelegt. Bevorzugt sind dies aber drei Kommutierungen. Es werden ferner mehrere Kommutierungen mittels Pulsweitenmodulierter Phasenspannung (PWM) aufgrund eines Hallsensorsignals erzeugt, wobei der Hallsensor am Stator oder an einer Elektronikleiterplatte montiert ist und hinsichtlich einer Mittelposition eines Statorpols in Drehrichtung versetzt angeordnet ist. Dadurch resultiert eine korrekte Drehrichtung des Rotors. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass ein Falschanlauf des Rotors bzw. der Pumpe vorteilhaft verhindert wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung liegt während mehrerer Kommutierungen mittels Pulsweitenmodulierter Phasenspannung aufgrund eines Hallsensorsignals ein Phasenversatz zwischen Phasenspannung und Phasenstrom vor. Ein Phasenversatz in diesen Zusammenhang entsteht durch Anlegen einer Wechselspannung auf die Statorwicklung. Der genannte Phasenversatz ist abhängig vom angelegten Strom und der daraus resultierenden Drehzahl des Rotors. Die Reduzierung des Tastverhältnises der Pulsweitenmodulierten Phasenspannung verringert den angelegten Strom, was zu einer Verringerung des Phasenversatzes führt. In geringerem Maße ändert sich auch die Drehzahl des Rotors.
Weiterhin bevorzugt weist der Hallsensor einen Versatz von bevorzugt 28° auf.
In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung ist bei Bewegung des Rotors entgegen der Laufrichtung der Phasenversatz größer als der Versatz des Hall-Sensors.
In einer Weiterbildung ist bei Bewegung des Rotors in Laufrichtung der Phasenversatz kleiner oder größer als der Versatz des Hallsensors.
In einer weiteren Ausbildung resultiert bei einer gleichmäßigen und langsamen Drehbewegung des Rotors in Laufrichtung und einer bevorzugt gleichmäßig bestromten Statorwicklung nach jeder 180° Bewegung des Rotors, ein überwiegendes, positives Drehmoment und damit eine Beschleunigung. Der Phasenversatz ist hierbei kleiner als der Versatz des Hallsensors durch langsame Drehung des Rotors und gleichmäßige Bestromung der Statorwicklung. Durch die Anwendung mehrerer Kommutierungen mittels Pulsweitenmodulierter Phasenspannung (PWM-Impulse) während des Anlaufs wird ein Drehen in eine entgegensetzte oder falsche Laufrichtung des Rotors verhindert.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass bei einer gleichmäßigen und langsamen Drehbewegung des Rotors entgegen der Laufrichtung und einer bevorzugt gleichmäßig bestromten Statorwicklung nach jeder 180° Bewegung des Rotors ein überwiegendes, negatives Drehmoment und damit eine Bremsung und ein Stoppen des Rotors resultiert. Nach dem Stoppen erfolgt sofort der Anlauf des Rotors in Laufrichtung. Der Phasenversatz ist hierbei auch kleiner als der Versatz des Hallsensors durch langsame Drehung des Rotors und gleichmäßige Bestromung der Statorwicklung.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass eine Periode der Pulsweitenmodulierten Phasenspannung aufgrund eines Hallsensorsignals in Abhängigkeit der Spannung änderbar ist. Um den Energieeintrag in der Wicklung und der effektiven Wirkung auf eine Verhinderung/Reduzierung der Falschanläufe von der Abhängigkeit der Spannungsversorgung zu entkoppeln, besteht die Möglichkeit die Pulsweitenmodulierter Phasenspannung (PWM-Impulse) in Abhängigkeit der Spannung zu verändern. Diese können errechnet oder experimentell ermittelt sein und einem eingesetzten Softwarealgorithmus bekannt sein.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Bestromung einer Statorwicklung zusätzlich durch Kommutierung von Leistungselektronik. Die Leistungselektronik umfasst elektronische Bauteile wie MOSFET, IGBT oder andere dem Fachmann bekannte entsprechende elektronische Bauteile.
Der einphasige Klauenpolmotor findet in elektrischen Pumpen, insbesondere in elektrischen Kreiselpumpen, Anwendung. Jedoch sind auch andere elektrische Flüssigkeitspumpen für die Anwendung denkbar.
Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: FIG 1 ein Verfahrensablaufdiagramm eines Anlaufs eines einphasigen
Klauenpolmotors gemäß dem Stand der Technik und
FIG 2 ein Verfahrensablaufdiagramm eines Anlaufs eines einphasigen
Klauenpolmotors gemäß der vorliegenden Erfindung.
FIG 1 zeigt ein Verfahrensablaufdiagramm eines Anlaufs eines einphasigen Klauenpolmotors gemäß dem Stand der Technik. Die Motorphasen werden zum Start der Anlaufphase mit 100% Tastverhältnis bezüglich der Frequenz des Hallsensors kommutiert, danach kann eine andere Betriebsart der Kommutierung gewählt werden, beispielsweise weiterhin 100% Tastverhältnis oder eine geregelte Drehzahl, bzw. ein gesteuerter oder geregelter Motorbetrieb.
Abhängig von der Rotorposition (oder: Rastposition, Rastlage, Ruhelage) vor dem Anlauf kann der Rotor in die korrekte oder in die entgegensetzte Laufrichtung starten, was einen sogenannten Falschanlauf zur Folge haben kann. Mit anderen Worten ist die
Ruhelage des Rotors vor dem Anlauf zu nah an einer Position des ersten
Kommutierungszeitpunkts, um im Anlauf genügend Bewegungsenergie aufzuwenden um das Gegenmoment zu überwinden.
Die vom Rotor eingenommene Rotorposition vor dem Anlauf ist abhängig von den Toleranzen bzw. Ungenauigkeiten an den folgenden Komponenten:
• Magnetisierung des Arbeitsmagnets
• Magnetisierung des Sensormagnets
• Positionierung Hallsensor (verschiebt jeweils den Kommutierungszeitpunkt)
• Statorgeometrie / Material und Verarbeitung (beeinflussen das Rasten)
Die (schwache) Beschleunigung des Rotors beim Anlauf aus der Ruhelage heraus in die eigentlich korrekte Bewegungsrichtung wird also während der Bewegung in Bremsenergie umgewandelt, wodurch der Rotor bremst und stoppt. In der Folge wirkt eine Beschleunigung auf den Rotor entgegen der Laufrichtung und eine Bremsrichtung in Laufrichtung so dass der Rotor sich entgegen der Laufrichtung bewegt und ein Falschanlauf vorliegen kann.
Figur 2 zeigt ein Verfahrensablaufdiagramm eines Anlaufs eines einphasigen Klauenpolmotors gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Anlauf eines Rotors des einphasigen Klauenpolmotors erfolgt durch mindestens eine Kommutierung einer Statorwicklung aufgrund eines Hallsensorsignals. Während des Anlaufs des Rotors werden mehrere Kommutierungen mittels Pulsweitenmodulierter Phasenspannung aufgrund eines Hallsensorsignals erzeugt.
Bei einer Erzeugung mehrerer Kommutierungen mittels Pulsweitenmodulierter Phasenspannung (PWM Impulse) aufgrund eines Hallsensorsignals wird ein Drehen in eine entgegensetzte Laufrichtung (Falschanlauf) verhindert.
Im Anschluss kann ein beliebiger Betrieb, beispielsweise weiterhin ein Tastverhältnis zu 100 %, oder eine geregelte Drehzahl, bzw. ein gesteuerter oder geregelter Motorbetrieb gefahren werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Anlaufen eines Rotors eines einphasigen Klauenpolmotors, wobei der Klauenpolmotor einen permanenterregten Rotor mit einer Mehrzahl von Rastpositionen umfasst, wobei der Rotor im Nominalbetrieb eine Bewegung in eine Laufrichtung ausführt, einen elektronisch kommutierten Stator und einen Hallsensor zur Bestimmung der relativen Rotorlage umfasst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a. Anlauf des Rotors durch mindestens eine Kommutierung einer Statorwicklung aufgrund eines Hallsensorsignals; b. Erzeugung mehrerer Kommutierungen mittels Pulsweitenmodulierter Phasenspannung aufgrund eines Hallsensorsignals, wobei der Hallsensor am Stator oder an einer Elektronikleiterplatte montiert ist und hinsichtlich einer Mittelposition eines Statorpols in Drehrichtung versetzt angeordnet ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei während mehrerer Kommutierungen mittels Pulsweitenmodulierter Phasenspannung aufgrund eines Hallsensorsignals ein Phasenversatz zwischen Phasenspannung und Phasenstrom vorliegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Hallsensor einen Versatz von bevorzugt 28° aufweist.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei bei Bewegung des Rotors entgegen der Laufrichtung der Phasenversatz größer als der Versatz des Hall-Sensors ist.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei bei Bewegung des Rotors in Laufrichtung der Phasenversatz kleiner oder größer als der Versatz des Hallsensors ist.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei bei einer gleichmäßigen und langsamen Drehbewegung des Rotors in Laufrichtung und einer bevorzugt gleichmäßig bestromten Statorwicklung nach jeder 180° Bewegung des Rotors, ein überwiegendes, positives Drehmoment und damit eine Beschleunigung resultiert.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei bei einer gleichmäßigen und langsamen Drehbewegung des Rotors entgegen der Laufrichtung und einer bevorzugt gleichmäßig bestromten Statorwicklung nach jeder 180° Bewegung des Rotors, ein überwiegendes, negatives Drehmoment und damit eine Bremsung resultiert.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Periode der Pulsweitenmodulierten Phasenspannung aufgrund eines Hallsensorsignals in Abhängigkeit der Spannung änderbar ist.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Bestromung einer Statorwicklung zusätzlich durch Kommutierung von Leistungselektronik erfolgt.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der einphasige Klauenpolmotor in elektrischen Pumpen, insbesondere in elektrischen Kreiselpumpen, Anwendung findet.
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