專利名稱：直流電機和用于運行該直流電機的方法
技術領域：
本發明涉及一種根據權利要求1的前序部分的直流電機以及一種根據權利要求2 的前序部分的用于運行該直流電機的方法。
背景技術：
這樣的所謂的無電刷無傳感器的直流電機包括具有至少一個永磁體的轉子和具有至少三個定子線圈的定子，其中設置控制設備，該控制設備被設立用于確定轉子的轉動位置以及根據轉子的該轉動位置來促使給定子線圈通電，并且其中該控制設備被設立用于根據在電子線圈之一中所感應的電壓來確定高轉數范圍內的轉動位置。但是缺點在于，在低轉數時不能在定子線圈中感應足夠的電壓。因此，轉子的轉動位置不能被確定。因子，在電機在低轉數范圍內啟動時，定子線圈被盲接(blind schalten)。這可能導致，給定子線圈通電并沒有導致電機的加速，而是導致轉子的制動。于是，轉子在長時間以后才達到高的轉數范圍或者根本達不到高的轉數范圍。
發明內容
本發明所基于的任務是，提供一種開頭所述方式的直流電機以及一種運行該直流電機的方法，其中該直流電機可以由該方法根據轉子的轉動位置在低的轉數范圍內被控制。本發明所基于的任務通過具有專利權利要求1的特征部分的特征的直流電機和具有專利權利要求2的特征部分的特征的用于運行該直流電機的方法來解決。本發明涉及一種直流電機，其中設立控制設備以在定子線圈之一上施加電壓時根據電流來確定低轉數范圍內的轉動位置。低轉數范圍一般是低于高轉數范圍的轉數范圍， 在低轉數范圍內不能在定子線圈中感應出用于確定轉動位置的足夠電壓，并且在低轉數范圍內轉子轉數典型地少于500 U/min，而在高轉數范圍內轉子轉數典型地多于500 U/min。 有利地，為了確定低轉數范圍內的轉數，不需要另外的傳感器。所述直流電機在理想情況下是交替磁極式電機(英文為consequent pole motor)。本發明還涉及一種用于運行所述直流電機的方法，具有低轉數范圍內的如下步驟施加電壓到定子線圈之一上；確定定子線圈之一上的電流；根據所述電流的分布 (Verlauf)確定轉子位置；以及根據所獲取的轉動位置給定子線圈通電。確定電流在本發明的上下文中不表示在數值上對電流進行精確地確定。還可以僅僅確定與電流成比例的參量。在優選的實施方式中，施加電壓到至少一個另外的定子線圈上，確定該至少一個另外的電子線圈上的另一電流，并且根據該另一電流的分布來確定轉動位置。由此可以確定轉子是否位于多個不同轉動位置中的一個處。在該優選實施方式的擴展方案中，所施加的電壓是電壓脈沖。該電壓脈沖典型地具有幾百 MS的持續時間。這使得能夠精確地確定轉子的轉動位置。此外，為了確定所述轉動位置只需要短的時間間隔，在該時間間隔中必須中斷直流電機的正常運行。在該優選實施方式的另一擴展方案中，重復施加電壓脈沖，并且重復施加電壓脈沖之間的時間間隔減小。因此，在重復施加電壓脈沖之間的時間間隔與轉子的增加的轉數相適應。在該優選實施方式的另一擴展方案中，所施加的電壓變化極性，針對變換極性的電壓確定定子線圈上的電流，并且根據針對變化極性的電壓的電流的分布來確定轉動位置。變換極性的電壓優選同樣是電壓脈沖并且具有與前述電壓脈沖相等的持續時間。通過分別兩個相反的電壓脈沖，轉子的轉數幾乎不受影響。在該優選實施方式的另一擴展方案中，將每個定子線圈上的針對所述電壓和針對所述變化極性的電壓的電流增加的絕對值分別相加為加總電流增加，將最大的加總電流增加與其它的電流增加相比較，以便確定轉動位置。因此可以提取出電流的偏移誤差 (Versatzfehler)0通過在確定比較標準時的合適的容差，可以確定轉子的轉動位置位于其中的角度范圍。在該優選實施方式的另一擴展方案中，在高轉數范圍中，為了確定轉數，針對多次 (至少兩次)的360°的電角度確定在定子線圈之一中所感應的電壓的相同的電壓值。在此， 涉及針對相同轉子位置的電壓值。由此保證了轉子的極之間的偏差不影響轉動位置的確定。
下面參照附圖詳細描述本發明。圖1示出具有所屬的通電設備的直流電機的示意性視圖； 圖2示出來自圖1的直流電機和所屬的開關設備的詳細視圖； 圖3示出來自圖1的電壓比較電路的視圖4示出來自圖1的電壓放大器的視圖； 圖5A示出針對電角度ae|=0°的電機的視圖； 圖5B示出針對電角度ae| =120°的電機的視圖； 圖5C示出針對電角度ae|=240°的電機的視圖；以及圖6示出所感應的電壓與電角度有關的幅度。
具體實施例方式圖1示出具有所屬的通電設備2的直流電機1的示意性視圖。這樣的直流電機例如用于汽車的冷卻劑泵。通電設備2負責通過電流線路3，4給直流電機1通電。通電設備2包括控制電路 6、具有電荷泵的驅動電路7、具有多個開關晶體管的開關設備8、電壓比較電路9以及電壓放大電路10。附加地設置電壓調節電路11、極性變換保護電路12、過電壓保護電路13、電容器14以及電阻15。電容器14緩沖由于定子線圈的感應負載所回饋的電能(參見圖2)。 電阻15具有微小的值并且保證通過電阻15流到接地連接的電流可以被電壓放大電路10放大。極性變換保護電路12負責使錯誤極化的供電電壓Vref不損壞通電設備2。電壓調節電路11將施加在控制電路6上的電壓調節到特定的值。過電壓保護電路13負責使驅動電路7不受到過電壓的損壞。控制電路6根據電壓比較電路9或電壓放大電路10的信號來控制驅動電路7。驅動電路7在開關設備9的開關晶體管上施加合適的電壓，以便斷開或接通開關晶體管。圖2示出來自圖1的直流電機1和所屬的開關設備8的詳細視圖。該直流電機包括具有六個鐵芯突出部17的鐵芯16，這些鐵芯突出部17分別偏移60°并且分別被定子線
圈U, V，W, υ', V'或W'之一纏繞。定子線圈U和υ', V和V', W和V^分別形成由兩個串聯的定子線圈構成的定子線圈對UU'' VV'和WW',定子線圈對UU ' VV'和WW，的
兩個定子線圈分別相互偏移180°。每個定子線圈對UU', VV'和WW'的一個端部與兩個開關晶體管Tl和T2，T3和Τ4，及Τ5和Τ6連接，這些開關晶體管分別通過驅動電路7接通或斷開。幵關晶體管Tl，Τ3和Τ5將定子線圈對UU'' W'和WW'分別與高電壓電勢Vrwf 連接或者將這些定子線圈對分別與該高電壓電勢Vref斷開。開關晶體管Τ2，Τ4和Τ6將定子線圈對UU'' VV'和WW'分別與節點W處的低電壓電勢連接或者將這些電子線圈對分別與該低電壓電勢斷幵。每個電子線圈對ULT, VV'和WW'的另一端部彼此連接。具有兩個永磁體27的轉子立于轉動位置ae|=0°。在該布置的情況下，電角度oe| =0°對應于機械角度omec= 180°,也就是說，定子線圈u, v, w, u\ ν'和W'中的每一個在轉子 26旋轉一整周的情況下恰好兩次相對地處于具有特定極性的磁極。具有極性S的磁極構造在永磁體27外側，而具有相反極性N的磁極構造在永磁體27之間。這種直流電機被稱為“交替磁極式電機”(英文為consequent pole motor)。開關晶體管Tl應當針對電角度
ael =30°至150°為接通的。開關晶體管T2應當針對電角度aei =210°至330°為接通的。開關晶體管T3應當針對電角度oel =150°至270°為接通的。開關晶體管T4應當針對電角度ael=330°至90°為接通的。開關晶體管T5應當針對電角度ael =270°至30° 為接通的。開關晶體管T6應當針對電角度ael =90°至210°為接通的。應當總是有恰好兩個開關晶體管為接通的，使得電流分別流過兩個定子線圈對。圖3示出來自圖1的電壓比較電路9的視圖。電壓比較電路9包括三個相同構造的比較電路18，19和20，其中這些比較電路18，19和20中的每一個將存在于定子線圈對
UU'' VV'和WW'之一的電流線路3，4或5上的電壓與存在于星形接點21上的電壓相比
較，該存在于星形接點21上的電壓尤其取決于存在于電流線路3，4或5上的電壓。這些比較電路中的每一個包括多個電子R1、R2、R3、R4和R5，多個電容器C1、C2和C3，以及運算放大器0P1。如已經說明的那樣，在正常運行時總是交替地給僅僅兩個定子線圈對通電。當在未被通電的第三定子線圈上所感應的電壓具有其過零點時，兩個通電的定子線圈上的電壓相反并且在絕對值上大小相等。因此在節點21處在過零點時存在OV的內電壓(0V的內電
5壓在此被定義為Vref/2)。此外，在該電壓的過零點時，該電壓的符號改變。因此，相應的、 屬于未被通電的第三線圈的運算放大器OPl的輸出端22，23或M上的電壓的符號也改變。 節點22，23和M上的電壓被輸送給控制電路6。圖4示出來自圖1的電壓放大電路10的視圖。該電壓放大電路10包括多個電阻 R6、R7、R8、R9、RlO和R11，電容器C4，以及兩個運算放大器0P2和0P3。電阻R8和Rll以及RlO和R9分別大小相等。節點25、觀和四同樣在圖1中繪出。電阻R6和R7同樣大小相等，使得在運算放大器0P2的同向輸入端上和在運算放大器0P2的輸出端上存在電壓 Vref/2 (0V的內電壓)。當在節點25上和在節點四上存在相等的電壓時，沒有電流流過電阻15 (參見圖1)，并且在節點觀上同樣存在OV的內電壓。運算放大器0P3被接線為反向放大器，使得在運算放大器0P3的輸出端(節點觀)上存在對應于通過R15的電流方向的比例電壓，這對于控制電路6的運行方式來說是必需的。在啟動時，直流電機1在低轉數時的運行被測試暫停(Testpause)中斷。在測試暫停中，在定子線圈對UU'' VV'和WW'中的每一對上短時間地相繼施加兩個相反的電壓脈沖。這些電壓脈沖都是相同長度并且具有相同的幅度。通過施加兩個相反的電壓脈沖，均衡了可能的偏移誤差。此外，轉子沈的運動幾乎不受影響。對于定子線圈對UU',在第一電壓脈沖期間，晶體管Tl、T4和T6被接通，并且在第二電壓脈沖期間，晶體管T2、T3和T5 被接通。電壓脈沖中的每一個具有幾百MS的持續時間。因此，轉子沈在整個測試暫停期
間都幾乎位于相同的轉動位置中。對于定子線圈對W，在第一電壓脈沖期間，晶體管T3、 T2和T6被接通，并且在第二電壓脈沖期間，晶體管T4、Tl和T5被接通。對于定子線圈對 WW'，在第一電壓脈沖期間，晶體管T5、T2和T4被接通，并且在第二電壓脈沖期間，晶體管T6、T1和Τ3被接通。因此，流過一個定子線圈對的總電流然后分別劃分到另外兩個定子線圈對上。圖5Α、圖5Β和圖5C示出針對電角度ae|=0°、針對電角度ae|=120°、以及針
對電角度ae|=240°的直流電機的視圖，其中繪出了由通電的電子線圈對UU'所生成的磁場的磁力線分布。根據轉子26的轉動位置，磁力線或多或少地穿過永磁體27。由此，定子線圈對UU'的電感改變。對于轉轉位置ae| =0°，定子線圈對UU'中的電流針對電壓脈沖迅速升高，而該電流對于轉動位置ael =120°和aei=240°沒有那么迅速地升高。與電流值成比例的電壓值被輸送給控制電路6。該控制電路6確定轉子沈是否位于轉動位置aei =0°。類似地，控制電路6還可以確定轉子沈是否位于轉動位置ae|=120°或0織=240°。
為了確定轉動位置，控制電路6首先確定每個定子線圈對ULI% VV'和WW'的針對第一電
壓脈沖和第二電壓脈沖的電流增加的絕對值。然后，該控制電路6將針對每個定子線圈對的兩個絕對值相加成加總的電流增加。然后，控制電路6確定三個加總電流增加中的最大的加總電流增加以及其它兩個加總電流增加的平均值。控制電路6從最大的加總電流增加中減去其它兩個加總電流增加的該平均值，并且將該減法結果與閾值相比較。如果該減法結果大于閾值，則這指示轉子26位于如下轉動位置中在該轉動位置中布置有具有最大加總電流升高的電流所流過的定子線圈。通過適當地選擇閾值，可以限制或增大該轉動位置的角度范圍。控制電路6從一個或多個所獲取的轉動位置中計算，轉子沈何時位于這樣的轉動位置處，即在該轉動位置處應當接通或關斷晶體管Tl至T6之一。控制電路6現在促使驅動電路7如所期望的那樣在特定轉動位置處接通或關斷晶體管Tl至T6。測試暫停在低轉數范圍內連續重復。在此，測試暫停的時間間隔連續減小，以便使轉動位置的確定與提高的轉數相適應。在一定時間以后，直流電機2達到了高轉數(>500 U/min)。轉子沈的快
速旋轉的磁場現在可以在定子線圈對UtT，VV'或WW'中感應出可測量的電壓。如所描
述的那樣，控制電路6在這些感應出的電壓的符號在輸出端22、23或M處變換時識別出這些電壓的過零點。為獲取轉子的轉動位置而對直流電機的正常運行的中斷不再是必需的。 這些過零點分別對應于一個特定的電角度aei。圖6示出所感應的電壓與電角度有關的幅度。控制電路6從連續獲取的過零點中計算出轉數，并且從該轉數和特定的電角度aei丨丨丨推斷出轉子26何時位于這樣的轉動位置，即在該轉動位置處應當接通或關斷晶體管Tl至T6 之一。在此，控制電路6只使用嚴格定義的磁極，所述嚴格定義的磁極構造在永磁體27之前(圖2中的S極)，而不構造在永磁體27之間(圖2中的N極)。此外為了確定轉數，控制電路6優選地比較如下過零點這些過零點分別對應于轉子沈繞360°的完整旋轉并且因此屬于特定磁極。在此，控制電路分析屬于這兩個嚴格定義的磁極的過零點，以便從盡可能多的數據中確定轉子26的轉動位置與時間的函數關系。這兩個嚴格定義的磁極被偏移轉子以180°的轉動。控制電路6現在促使驅動電路如所期望的那樣在特定的轉動位置接通或關斷晶體管Tl至T6。
權利要求
1.一種直流電機，具有轉子(26)和定子(16)，該轉子(26)具有至少一個永磁體(27)，該定子(16)具有至少三個定子線圈( U, U', V, V1, W, W')，其中設置控制設備(6)，該控制設備(6)被設立用于確定轉子(26)的轉動位置并且促使根據轉子(26)的該轉動位置來給定子線圈(U, U', V, V\ W, W')通電， 并且其中該控制設備(6)被設立用于根據在定子線圈(U, U', V，V\ W, W')之一中所感應的電壓來確定高轉數范圍內的轉動位置，其特征在于，控制設備(6 )被設立用于在定子線圈 (U, U', V, V’，W, W')之一上施加電壓時根據電流來確定低轉數范圍內的轉動位置。
2.一種用于運行直流電機的方法，該直流電機具有轉子(26)和定子(16)，該轉子 (26)具有至少一個永磁體(27)，該定子(16)具有至少三個定子線圈(U，U', V, V', W, W')，其中根據轉子(26)的轉動位置給定子線圈(U, U', V，V', W, W')通電，以便驅動轉子(26)，其中所述直流電機從低轉數范圍過渡到高轉數范圍，其中根據在定子線圈 (U, U', V, V', W, W')中所感應的電壓來確定轉子(26)在髙轉數范圍內的轉動位置，其特征在于低轉數范圍內的如下步驟一施加電壓到定子線圈(U, U", ν, y\ w, w')之一上；一確定定子線圈(υ, υ', ν, V', W5 w')之一上的電流； 一根據所述電流的分布確定轉子位置；以及一根據所獲取的轉動位置給定子線圈(U, U', V, ￥\ W, W')通電。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，施加電壓到至少一個另外的定子線圈 (U, U", V, V', W, W')，確定在所述至少一個另外的定子線圈(U5 U", V, V", W, W')上的另一電流，并且根據該另一電流的分布來確定轉動位置。
4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，所施加的電壓是電壓脈沖。
5.根據權利要求4之一所述的方法，其特征在于，重復施加電壓脈沖，并且重復施加電壓脈沖之間的時間間隔減小。
6.根據權利要求3至5之一所述的方法，其特征在于，所施加的電壓變換極性，針對變換極性的電壓確定定子線圈(U, Uf, ￥, V\ W, W")上的電流，并且根據針對變化極性的電壓的電流的分布來確定轉動位置。
7.根據權利要求3至6之一所述的方法，其特征在于，將每個定子線圈 (U, U', V, V', W, Wi)上的針對所述電壓和針對所述變化極性的電壓的電流增加的絕對值分別相加為加總電流增加，將最大的加總電流增加與其它的電流增加相比較，以便確定轉動位置。
8.根據權利要求2至7之一所述的方法，其特征在于，在高轉數范圍中，為了確定轉數，針對多次的360°的電角度確定在定子線圈(U, U", V, V*, W，W’)之一中所感應的電壓的相同的電壓值。
全文摘要
本發明涉及一種直流電機(1)，該直流電機(1)具有轉子(26)和定子(16)，該轉子(26)具有至少一個永磁體(27)，該定子(16)具有至少三個定子線圈()，其中設置控制設備，該控制設備被設立用于確定轉子(26)的轉動位置并且促使根據轉子(26)的該轉動位置來給定子線圈()通電，并且其中該控制設備被設立用于根據在定子線圈()之一中所感應的電壓來確定高轉數范圍內的轉動位置。為了可以根據轉子的轉動位置在低轉數范圍內控制直流電機(1)，控制設備(6)被設立用于在定子線圈()之一上施加電壓時根據電流來確定低轉數范圍內的轉動位置。
文檔編號H02P6/18GK102197582SQ200980142103
公開日2011年9月21日 申請日期2009年10月13日 優先權日2008年10月23日
發明者D·弗里克, G·克內希特 申請人:羅伯特·博世有限公司