Energieoptimale Ansteuerung von elektronisch kommutierten Motoren

Zusammenfassung: In elektrischen Kleingeräten werden zunehmend elektrische Direktantriebe eingesetzt. Diese Antriebe ermöglichen einen getriebelosen Aufbau der Geräte. Dadurch vereinfacht sich der Montagevorgang erheblich. Bei Geräten, die oszillierende Bewegungen ausführen, wie elektrische Zahnbürsten und Rasiergeräte, ermöglicht der Einsatz von Direktantrieben eine variable Bewegungsamplitude. Bei den gängigen Geräten mit Getrieben konnte zwar die Geschwindigkeit der Bewegung beeinflußt werden, eine Änderung der Auslenkung war dagegen nur mit hohem Aufwand möglich. Diesen Vorteilen steht ein erhöhter Aufwand in der Ansteuerung gegenüber, da oszillierende Direktantriebe ein spezielles Ansteuersignal benötigen. Die Bereitstellung dieses Signals ist Thema der vorliegenden Arbeit. Die Möglichkeit die Amplitude zu variieren wirft die Frage nach einer Regelung der Amplitude auf. Deren Messung kann aufgrund der Eigenschaften der Antriebe ohne zusätzliche Sensorelemente erfolgen. Der mobile Einsatz der Geräte wird durch Akkumulatoren ermöglicht. Daraus resultiert der Wunsch nach einem möglichst hohen Wirkungsgrad der Ansteuerung. Da die Geräte in großen Stückzahlen produziert werden, sind geringe Materialkosten wichtig. Im Rahmen dieser Arbeit werden verschiedene Möglichkeiten zur Ansteuerung oszillierender Direktantriebe mit Blick auf den Wirkungsgrad untersucht. Neben zu den zum bisherigen Stand der Technik gehörenden Schaltungstopologien werden auch kompliziertere Anordnungen, die möglicherweise einen höheren Wirkungsgrad bieten betrachtet. Diese Anordnung ermöglichen tatsächlich die Erhöhung des Gerätewirkungsgrades. Sie stellen allerdings einen erheblichen Kostenfaktor dar, so dass ihre Anwendung in den genannten Geräten momentan nicht wirtschaftlich ist. Die verschiedenen auftretenden Verlustmechanismen werden auf ihre Größe und Reduzierungsmöglichkeiten untersucht. Ausgehend von diesen Ergebnissen werden Vorschläge zur Wirkungsgradsteigerung gemacht. Darüber hinaus wurde das Elektromechanische Ersatzschaltbild eines bestehenden Gerätes erstellt. Mit Hilfe dieses Ersatzschaltbildes können Simulationen erfolgen, die Auskunft über die Auswirkungen der Änderung verschiedener Parameter auf den Wirkungsgrad geben können