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Elektrische Maschine mit kontaktloser Kommutierung Die Erfindung bezieht
sich auf eine elektrische Maschine mit kontaktloser Kommutierung, und zwar auf eine
Maschine, die mit einer mehrpoligen Statorwicklung und mit einer entsprechenden
Anzahl von ortsfesten, steuerbaren, kontaktlosen Schaltvorrichtungen versehen ist,
durch die die zugeordneten Statorspulen derart der Reihe nach mit Strom speisbar
sind, daß im Stator ein umlaufendes magnetisches Feld entsteht, wobei kontaktlos
arbeitende Steuerglieder für die Schaltvorrichtungen in Strombahnen mit ortsfesten
Kondensatorelektroden angeordnet sind, die zusammen mit einer mit der Rotorwelle
der elektrischen Maschine umlaufenden, dicht über den ortsfesten Elektroden hinwegführbaren,
weiteren Kondensatorgegenelektrode eine Kapazität bilden, durch die die kontaktlosen
Schaltvorrichtungen über die Steuerglieder in Betrieb gesetzt werden.
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Es ist bekannt, Gleichstrommaschinen ohne den Feldstrom kommutierende
mechanische Kollektoren zu bauen. Bei einer solchen Maschine werden mit Hilfe eines
auf dem Läufer angebrachten Polrades in verschiedenen Statorspulen Steuerspannungen
indiziert. Mit diesen Spannungen werden dann Halbleiter gesteuert, mit deren Hilfe
dann im Stator ein Drehfeld erzeugt wird. An Stelle der Stator-Steuerspannungswicklungen
ist es auch bekannt, Hallgeneratoren oder magnetisch gesteuerte Halbleiter zu verwenden.
Weiterhin ist es bekannt, mit lichtgesteuerten Transistoren zu arbeiten, und zwar
durch einen mit dem Läufer der Maschine umlaufenden Lichtstrahl, der mehrere ortsfest
angebrachte Fotodioden in einer bestimmten Reihenfolge anstrahlt, so daß über eine
geeignete Verstärkervorrichtung den Statorspulen entsprechend der Ankersteflung
der Feldstrom in der gewünschten Reihenfolge zugeführt wird.
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Die erstgenannte kontaktlose Kommutierungsvorrichtung hat aber den
Nachteil, daß ein Selbstanlauf der mit ihr ausgerüsteten Maschine nicht möglich
ist, da im Stillstand keine Steuerspannungen erzeugt werden. Außerdem ist die Größe
der Steuerspannung nach einem Anwerfen der Maschine stark drehzahlabhängig, woraus
sich erhebliche Schwierigkeiten bei der Auslegung der Teile ergeben. Selbst die
Form der Steuerspannungen ist in dem sogenannten Schalterbetrieb aber ungeeignet,
wenn ein besonderer Aufwand für einen speziellen Verstärker mit Kippkreisen vermieden
werden soll.
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Für die Hallgeneratoren oder magnetisch gesteuerten Halbleiter ist
wiederum ein permanent magnetisches Polrad erforderlich. Infolge der Alterung der
Permanentmagnete wird bei dieser Einrichtung dann eine häufige Nachstellung erforderlich.
Auch sind die sehr empfindlichen Hallgeneratoren teuer und temperaturempfmdlich.
Die Form und Größe der erzeugten Steuerspannungen erfordert hierbei einen mehrstufigen
Transistorverstärker.
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Die kontaktlose Kommutierung mit Hilfe eines rotierenden Lichtstrahls,
der auf verschiedene Fotodioden oder lichtempfindliche Transistoren trifft, weist
ebenfalls Nachteile auf. Da die Leuchtstärke stark speisespannungsabhängig ist und
von der Betriebsdauer der Lichtquelle abhängt, kann eine optimale Einstellung der
Kommutierungsvorrichtung kaum erreicht werden. Weitere Nachteile dieser Kommutierungsvorrichtung
sind die Temperaturabhängigkeit der Fotodioden und der verhältnismäßig große Raum,
den die Vorrichtung benötigt, da auch in diesem Fall zusätzlich ein teurer mehrstufiger
Verstärker mit Kippkreisen benötigt wird. Für Kleinmotoren ist diese Kommutierungsvorrichtung
mithin ebenfalls ungeeignet.
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Es ist weiterhin bekannt, die Kommutierung einer Gleichstrommaschine
mittels einer kapazitiven, kontaktlosen Steuereinrichtung vorzunehmen. Umlaufende
Elektroden rufen dabei in ortsfest angebrachten Elektroden Ladungen hervor, die
der Steuervorrichtung zugeleitet werden. Bei hohen Drehzahlen entstehen bei dieser
Vorrichtung scharfe Steuersignaleinsätze. Diese scharfen Signaleinsätze lassen sich
bei der Vorrichtung aber nur dann erzielen, wenn die Kondensatorplatten an einem
Gleichspannungspotential liegen. Der Steuerstrom ist in diesem Fall außerdem drehzahlabhängig,
und zwar direkt drehzahlproportional, bei Stillstand des Rotors ist der Steuerstrom
dann gleich Null. Auch diese Maschine läuft, da der Steuerstrom im Stillstand fehlt,
nicht von selbst an. Während ihres Betriebes benötigt sie außerdem einen anomalen
Aufwand an Verstärkungs- und Stabilisierungseinrichtungen, wenn in größeren Drehzahlbereichen
überlastungen
der Transistorschaltelemente vermieden werden sollen.
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Es ist schließlich auch eine elektrische Kleinuhr bekannt, bei der
mit Hilfe eines selbstanschmiegenden LC-Schwingkreisgenerators in Verbindung mit
einem veränderlichen Kopplungssystem, dessen Steuerteil aus einem auf dem schwingenden
Bauteil angeordneten und aus einem feststehenden Kondensatorteil besteht, ein Elektromagnet
die erforderliche Anschwingenergie für ein Pendel erhält. Die Steuerstromamplitude
und Form ist auf diese Weise beeinflußbar. Diese Steuerstromverbesserung würde die
bekannte kontaktlose Kommutierung auf kapazitivern Weg aber nicht ausreichend verbessern,
da der Verstärkungsaufwand zwar heraufgesetzt wird, die Stabilisierung wegen der
Drehzahlabhängigkeit des Steuerstromes aber nicht umgangen werden kann.
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Die Nachteile der bekannten elektrischen Maschine mit kontaktloser
Kommutierung, die mit einer mehrpoligen Statorwicklung und mit einer entsprechenden
Anzahl von ortsfesten Schaltvorrichtungen und kontaktlos arbeitenden Steuergliedern
in Verbindung mit ortsfesten und mit der Rotorwelle der Maschine umlaufenden Kondensatorelektroden
versehen ist, durch die die zugeordneten Statorspulen derart der Reihe nach mit
Strom speisbar sind, daß im Stator ein umlaufendes magnetisches Feld entsteht, sind
dadurch vermieden, daß gemäß der Erfindung ein kontaktlos arbeitender Hochfrequenzoszillator
eine der Anzahl der Steuerglieder für die Schaltvorrichtungen entsprechende Zahl
von Ausgangswicklungen aufweist, die gegeneinander so gepolt und in Reihe geschaltet
sind, daß je zwei aufeinanderfolgende Wicklungen sich in ihren Spannungen
aufheben und daß jede Ausgangswicklung über die Steuerglieder an zwei der feststehenden
Kondensatorelektroden angeschlossen ist und mit der durch die umlaufende Kondensatorelektrode
gebildeten Kapazität und dem jeweiligen Steuerglied einen geschlossenen Stromkreis
bildet.
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Vorzugsweise ist die Maschine so ausgebildet, daß jeder aus einer
Ausgangswicklung des Hochfrequenzoszillators, einem Steuerglied und aus der zwischen
der jeweiligen feststehenden und umlaufenden Kondensatorelektrode gebildeten Kapazität
bestehende geschlossene Stromkreis einen auf die Frequenz des Hochfrequenzoszillators
abgestimmten Resonanzkreis darstellt.
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Ferner ist es zweckmäßig, als Steuerglieder ohmsehe, induktive oder
kapazitive Widerstände zu verwenden.
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Da bei der elektrischen Maschine nach der Erfindung dem rotierenden
Kondensator ein Wechselstrom hoher Frequenz zugeführt wird, erhält die Verstärkervorrichtung,
an die die Schaltvorrichtung angeschlossen ist, unabhängig von der Drehzahl und
mithin auch bei der Drehzahl Null gleichmäßig starke Signale. Die an den Steuergliedern
anfallende Energie ist dadurch, daß die Stromkreise als Resonanzkreise ausgebildet
sind, groß. Darüber hinaus ist die Größe der Energie durch die Verwendung einer
geeigneten Oszillatorfrequenz auch noch einstellbar. Die von den Steuergliedern
abgegebenen Signale reichen dann aber bereits allein zur Betätigung der Schaltvorrichtungen
aus, weshalb sich eine mehrstufige Verstärkereinrichtung erübrigt. Auch sind besondere
Kippkreise überflüssig, da durch den Resonanzbetrieb der an sich sinusförmige, vom
Oszillator aufgepräggte Strornverlauf in einen praktisch rechteckigen Steuerstromverlauf
umgewandelt wird. Dieser Stroniverlauf garantiert wiederum ein rasches Durchschalten
der zu steuernden in den Schaltvorrichtungen enthaltenen Halbleiterbauelemente,
die den Statorstrom schalten. Wegen der verhältnismäßig hohen Flankensteilheh der
Steuerspannungskurve können nach derErfindungkontaktloseKommutatormaschinen mit
besonders hohen Drehzahlen konstruiert werden.
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Für Motoren mit besonders hohen Drehzahlen ist es dabei von Vorteil,
wenn die bewegliche Elektrode in bekannter Weise mit zunehmender Drehzahl um einen
gewissen Betrag voreilt.
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Die Kapazitäten werden bei der elektrischen Maschine nach der Erfindung
vorzugsweise dadurch hergestellt, daß die Kondensatorelektroden 9 der einzelnen
Resonanzkreise als nebeneinander angeordnete Kreisringteile ausgebildet sind. über
die die kreissektorförmige Kondensatorgegenelektrode 8 hinwegführbar ist.
Als Steuerglieder kommen bei der Kornmutierungsvorrichtung entweder ohmsche, oder
aber auch induktive oder kapazitive Widerstandselemente in Betracht.
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Die Kommutierungsvorrichtung nach der Erfindung läßt sich vorteilhaft
bei ein- oder mehrphasigen Induktionsmaschinen sowie bei Gleichstrom-Nebenschlußmaschinen
und Gleichstrom-Haupt- oder Doppelschlußmaschinen anwenden. Um bei Kleinstmotoren,
insbesondere mit hohen Drehzahlen, auf bestimmte, gewünschte Drehmomente zu kommen,
führt man die Motoren zweckmäßig als Außenläufer aus.
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Die Erfindung wird an Hand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele
näher erläutert Fig. 1 zeigt schematisch einen Teil der Kommutierungsvorrichtung
nach der Erfindung, F i g. 2 zeigt die Kurvenform der Steuerströme bei der
Maschine nach der Erfindung, F i g. 3 bis 5 zeigen drei Steuermöglichkeiten
für die Stromspeisung der Statorspulen.
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An Hand der F i g. 1 soll im Prinzip die Arbeitsweise erläutert
werden. Der Oszillator 1 mit dem Transformator 2, welcher zweckmäßigerweise
ein Transistorenwechselrichter sein kann, erzeugt eine Wechselspannung hoher Frequenz.
Die Sekundärwicklungen 3, 4, 5 und 6 sind gegeneinander
gepolt, so daß je zwei aufeinanderfolgende Wicklungen sich in ihren Spannungen
aufheben. Mit dem Rotor 7 ist die Elektrode 8 fest verbunden, so daß
die stationär angeordneten Elektroden 9 und 10 durch die sehr nahe
sich vorbeidrehende Elektrode 8 eine große Kapazitätsänderung erfahren. Aus
der Wicklung 6
fließt nun ein Strom bestimmter Größe, welcher von der Größe
der Kapazität der Elektroden bestimmt wird. Dieser Strom ergibt einen bestimmten
Spannungsabfall an dem Widerstand 11. Anstelle des Widerstandes
11 kann sowohl eine Induktivität als auch eine Kapazität treten. Zweckmäßigerweise
wird man den Transformator 2 als Streufeldtransformator ausbilden. Stimmt man die
LC-Werte so ab, daß ein Resonanzfall bei Durchlaufen der Elektroden erreicht wird,
so erhält man eine verhältnismäßig sehr große Spannungsänderung am Steuerglied
11.
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F i g. 2 zeigt die Stromänderung über die Elek-
troden
in Abhängigkeit der Ankerstellung, wobei die gestrichelte Kurve 12 den Strom- bzw.
Spannungsverlauf
beim zweimaligen Durchlaufen der Resonanz zeigt.
Der Stromverlauf gemäß Kurve 13 ergibt sich, bezogen auf ein Elektrodenpaar,
wenn keine Resonanzbedingungen erfüllt sind. Nachdem bekanntlich die gesteuerten
Halbleiter eine möglichst rasche Arbeitspunktverschiebung im Schalterbetrieb erfordern,
so ist die ideale Ansteuerung durch eine Rechteckstromkurve gegeben. Durch den Resonanzbetrieb
kann nahezu die Idealform einer solchen Rechteckkurve erreicht werden. Man kann
auch durch eine geeignete Rückkopplungsschaltung die Idealform erzwingen. An dem
Glied 11 gemäß F i g. 1 erhält man somit die erforderliche Steuerenergie
in der notwendigen Größe und Form des Stromes. Die Wechselstromenergie, welche an
dem Widerstand 11 abgenommen wird, kann gleichgerichtet und den Verstärkern
zugeführt werden. F i g. 3 zeigt ein Schema mit den angeschlossenen Verstärkern
14, 15, 16 und 17, welche von den verschiedenen Ausgangskreisen
des Oszillators gemäß F i g. 1 in einer bestimmten Folge angesteuert werden.
Je nach Ankerstellung bzw. Stellung der Elektrode 8 erhält nun einer
der genannten Verstärker eine Ansteuerung, so daß ein Strom in einer der Statorspulen
fließt, wodurch eine Drehung des Ankers bewirkt wird. Bevor nun die Elektrode
8 das gegenüberliegende Elektrodenpaar ganz verlassen hat, beginnt bereits
der Strom im nächsten Elektrodenpaar zu fließen, so daß eine verhältnismäßig sehr
kleine überlappung der Schaltvorgänge erreicht wird. Hierdurch ergibt sich, daß
in jeder Ankerlage ein Selbstanlauf der Maschine gewährleistet ist. Die vier Verstärker
sind so geschaltet, daß in den Statorspulen der Strom in beiden Richtungen fließen
kann. Hierdurch wird eine höchstmögliche Ausnützung des Motors bei bestimmter Größe
erreicht. In Fig. 4 ist eine Windung bzw. Wicklung in vereinfachter Form dargestellt.
Die beiden Enden sind über je zwei steuerbare Halbleiter 18, 19, 20
und 21 an die Gleichstromquelle angeschlossen. Auch in diesem Fall wird die Statorwicklung
in beiden Richtungen ausgenützt.
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F i g. 5 zeigt eine weitere Ausführungsforin. Die Verstärker
22 bis 251 welche in der oben beschriebenen Weise und Folge angesteuert werden,
sind mit einer doppelten Anzahl von Statorspulen verbunden. In diesem Fall soll
durch die Statorspulen der Strom nur in einer Richtung fließen, während die notwendige
Feldumkehrung durch den Stromfluß in der zweiten Spule erreicht wird. Bei einer
solchen Schaltweise vereinfacht sich die gesamte Schaltanordnung in Bezug der Speisung
des Motors wesentlich. In solchen Fällen, wo auf eine gedrängte Bauweise des Motors
verzichtet werden kann, wird man daher vorteilhafterweise die Konstruktion gemäß
F i g. 5 verwenden.