Projekt 19982/01

Entwicklung einer sensorlosen, selbstoptimierenden, elektronischen Kommutierung für bürstenlose Gleichstrommotoren

Projektträger

ERL GMBH
Bergheimer Str. 4
88677 Markdorf
Telefon: 07544/9541-13

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Kleinmotoren im Leistungsbereich bis 1 kW sind weit verbreitet. Pumpen, Ventilatoren und die Klimatechnik sind die wichtigsten Anwendungsgebiete. Für die meisten Anwendungen werden bisher kostengünstige Asynchronmotoren verwendet, die aber einen schlechten Wirkungsgrad besitzen. Der jährliche Energiebedarf in Deutschland für die genannten Anwendungen könnte durch den Einsatz hocheffizienter Antriebe mittels EC-Motoren um rund 1,5 GWh pro Jahr gesenkt werden.
Ziel des Vorhabens ist es, den Anteil der eingesetzten EC-Motoren im Leistungsbereich bis 1 kW zu Lasten der weitverbreiteten Asynchronmotoren dadurch zu erhöhen, dass die Kosten der EC-Schaltung und damit des gesamten EC-Antriebs gesenkt und der Wirkungsgrad der EC-Motoren gegenüber dem Stand der Technik durch eine neuartige Schaltungstechnik noch weiter erhöht wird.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie übliche Erfassung der Läuferstellung mit eingebauten Hall-Sensoren wird ersetzt. Die Sensoren werden auf die Platine der Steuerschaltung gesetzt und durch einen Permanentmagneten auf der Läufer-welle angesprochen. Der Wegfall der Sensorplatine führt zur Kostensenkung. Elektrische Leistung und Wirkungsgrad sind abhängig vom Schaltzeitpunkt (Zündwinkel) bezüglich der vom Motor induzierten Spannung (EMK) und von der Drehzahl. Bisher werden die Motoren über die Position der Hallsensoren bei Nenndrehzahl und -last für diesen Zündpunkt optimiert. Eine dynamische Selbstoptimierung während des Betriebs erfolgt nicht. Der Wirkungsgrad des Systems Motor/Elektronik soll deshalb bei konstant abgegebener mechanischer Leistung und Drehzahl periodisch optimiert werden. Dies führt zur Reduzierung der Verluste. Als nächstes wird die Blockkommutierung durch eine sinus-bewertete Pulsweitenmodulation ersetzt. Dann wird diese Sinuskommutierung mit der zuvor entwickelten, automatischen Zünd-winkeloptimierung verbunden, um eine Erhöhung des Wirkungsgrads bis zu 10 % zu erreichen. Abschließend wird die übliche Detektierung der Rotorlage über Sensoren durch eine sensorlose Methode - auch bei Sinuskommutierung - ersetzt. Damit wird, neben einer Geräuschminderung eine weitere Senkung der Betriebskosten der EC-Motoren erzielt, die für die gewünschte Absatzerhöhung wichtig ist, da die meisten Anwender beim Kauf von Kleinmotoren nach Preis und kaum nach Wirkungsgrad entscheiden, obwohl die Betriebskosten der Asynchronmotoren die Beschaffungskosten oft schon nach kurzer Zeit übersteigen.


Ergebnisse und Diskussion

Als wichtiges Entwicklungsergebnis kann die Zündwinkeloptimierung jetzt direkt in der elektronischen Schaltung angeführt werden. Eine Anpassung an verschiedene Kommutierungsmethoden oder Wicklungsverschaltung durch Verstellung der Hallsensor-Platine ist nicht mehr erforderlich. Praktisch läuft dies so ab, dass der Motorhersteller die bevorzugte Betriebsdrehzahl des Motors nennt. Entsprechend ermitteln wir den optimalen Zündwinkel und stellen diesen Wert dann für die gesamte Serie ein. Diese Einstellmöglichkeit ist inzwischen serienreif. Alle von der Erl GmbH produzierten EC-Schaltungen werden seit Anfang des Jahres 2004 im Werk nach diesem Verfahren optimal eingestellt. Dabei wurde erkannt, dass die Schaltungen entweder nach Geräuschminimum oder nach Leistungsminimum eingestellt werden können. Die entsprechenden Zündwinkel sind nicht identisch. Wenn zwischen Kommutierungsarten umgeschaltet werden kann, z. B. von 6- auf 12-Puls, muss gleichzeitig auch der Zündwinkel an-gepasst werden. Dies ist jetzt einfach elektronisch realisierbar. Wird nach dem Geräuschpegel minimiert, so können im Geräuschspektrum des Motors insbesondere die höheren Frequenzen abgesenkt werden. Dadurch wird das ohnehin schon rel. geringe Motorgeräusch objektiv um ~ 3 dB gesenkt. Subjektiv wird die Absenkung der höheren Frequenzanteile im Bereich zwischen 2,5 bis 5 kHz als angenehm empfunden.
Das Energieeinsparpotenzial durch die Neuentwicklung ist bei der nachgewiesenen Energiereduzierung von 3% angesichts der großen Verbreitung der EC-Motoren enorm. Obwohl die genauen Stückzahlen der innerhalb Deutschlands in Betrieb befindlichen EC-Motoren nicht bekannt sind - sicher sind es mehrere hunderttausend - dürfte ein allmählicher Ersatz durch die Neuentwicklung Einsparungen an elektrischer Energie in der Größenordnung von bis zu 1.000 GWh/a ermöglichen.
Eine weitere erhebliche Einsparung ergibt sich durch die elektronische Anpassung der EC-Motoren an die Schaltungsarten Stern - Dreieck. Dadurch kann für beide Varianten der gleiche konstruktive Aufbau benutzt werden. Das erleichtert die Lagerhaltung beim Motorenhersteller, außerdem entfallen zusätzliche Werkzeugkosten für Blechschnitte. Diese Einsparung kann in der Größenordnung von etwa 30 000,- € je Motor-Ausführung angenommen werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Hier ist zu berücksichtigen, dass unser Unternehmen in erster Linie ein Zulieferbetrieb für Hersteller von EC-Motoren und Lüftern ist. Die Endkunden sind uns meist nicht bekannt. Um so wichtiger ist es, die Motorenhersteller von den Vorteilen der Zündwinkeleinstellung zu überzeugen. Dazu werden wir Vorführungen arrangieren, Musterschaltungen für eigene Versuche anbieten und Informationsmaterial verteilen.
Ferner werden unsere Vertriebsbüros über die Vorteile der Entwicklung informiert. Außerdem werden wir die Entwicklungsergebnisse in unsere deutsch- und fremdsprachigen Prospekte sowie in unsere Internetseiten übernehmen. Die Homepage wird zur Zeit überarbeitet.


Fazit

Die automatische Zündwinkelverstellung konnte bisher wegen Problemen bei der Messung der Aufnahmeleistung nicht realisiert werden. Dies bedarf weiterer Entwicklungsarbeit. Hierzu wurden zwei Lösungsmöglichkeiten erarbeitet aber noch nicht realisiert.
Hingegen wurde die optimale, manuelle Zündwinkeleinstellung für Sinus-, 6- und 12-Puls-Kommutierung inzwischen serienreif entwickelt. Sie wird mittlerweile bei allen Steuerungen unseres Hauses eingesetzt. Es stellte sich heraus, dass dieser manuell eingestellte optimale Zündpunkt bezüglich der Leistungsoptimierung auch gleichzeitig eine Geräuschminimierung zur Folge hat. Wenn auch die anfänglich angestrebte Verbesserung des Wirkungsgrades nicht im vollen Umfang erreicht wurde, so konnten doch Möglichkeiten aufgezeigt werden, wie dieses Ziel durch weitere Entwicklungstätigkeiten noch erreicht werden kann. Hingegen wurden beachtliche Einsparungsmöglichkeiten bei der Schaltung und der Motorenherstellung erreicht. Diese Verbilligung entspricht den weiteren Vorhabenszielen, nämlich die weitere Verbreitung der EC-Motoren durch Kostensenkung zu fördern.