DE1168549B - Electrical machine with contactless commutation - Google Patents
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Description
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.Electrical machine with contactless commutation The invention relates on an electrical machine with contactless commutation, namely on one Machine with a multi-pole stator winding and with a corresponding Number of fixed, controllable, contactless switching devices is provided, through which the associated stator coils can be fed with current in sequence are that a rotating magnetic field is created in the stator, whereby contactless working control elements for the switching devices in current paths with stationary Capacitor electrodes are arranged, which together with one with the rotor shaft the electrical machine rotating, can be carried away tightly over the stationary electrodes, Another capacitor counter electrode form a capacitance through which the contactless Switching devices are put into operation via the control elements.
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.It is known, DC machines without commutating the field current to build mechanical collectors. In such a machine, with the help of a Pole wheel attached to the rotor in various stator coils control voltages indexed. These voltages are then used to control semiconductors, with their help then a rotating field is generated in the stator. Instead of the stator control voltage windings it is also known to use Hall generators or magnetically controlled semiconductors. It is also known to work with light-controlled transistors, to be precise by a light beam circulating with the rotor of the machine, the several stationary attached photodiodes illuminates in a certain order, so that a suitable amplifier device for the stator coils according to the anchor position the field current is supplied in the desired order.
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.However, the first-mentioned contactless commutation device has the Disadvantage that a self-start of the machine equipped with it is not possible is because no control voltages are generated at standstill. Besides, the size is the control voltage after starting the machine strongly dependent on the speed, from which there are considerable difficulties in the design of the parts. Even the The form of the control voltages is unsuitable in the so-called switch mode, if a special effort for a special amplifier with breakover circuits is avoided shall be.
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.For the Hall generators or magnetically controlled semiconductors is in turn, a permanently magnetic pole wheel is required. As a result of the aging of the Permanent magnets will then have to be readjusted frequently with this device. The very sensitive Hall generators are also expensive and sensitive to temperature. The shape and size of the generated control voltages requires a multi-level Transistor amplifier.
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.The contactless commutation with the help of a rotating light beam, that encounters different photodiodes or light-sensitive transistors, has also have disadvantages. Since the luminosity is strongly dependent on the supply voltage and depends on the operating time of the light source, an optimal setting of the Commutation device can hardly be achieved. Further disadvantages of this commutation device are the temperature dependence of the photodiodes and the relatively large space, which the device requires, since in this case also an expensive multi-stage Amplifier with breakover circuits is required. This commutation device is used for small motors therefore also unsuitable.
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.The commutation of a DC machine is also known by means of a capacitive, contactless control device. Circumferential Electrodes generate charges in fixed electrodes are fed to the control device. This occurs at high speeds Device sharp control signal inserts. These sharp signal inserts can in the device but only achieve if the capacitor plates on one DC potential lie. In this case, the control current is also dependent on the speed, namely directly proportional to the speed, when the rotor is at a standstill, the control current is then equal to zero. This machine also runs because there is no control current at standstill, not by itself. It also needs an abnormal one during its operation Expenditure on reinforcement and stabilization devices, if in larger speed ranges overloads the transistor switching elements should be avoided.
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.Finally, a small electric watch is also known in which with the help of a self-clinging LC oscillating circuit generator in conjunction with a variable coupling system, the control part of which consists of an oscillating Component arranged and consists of a fixed capacitor part, an electromagnet receives the required starting energy for a pendulum. The control current amplitude and shape can be influenced in this way. This control current improvement would be the but not sufficiently improve known contactless commutation in a capacitive way, since the reinforcement effort is increased, the stabilization because of the However, the speed dependency of the control current cannot be circumvented.
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.The disadvantages of the known electrical machine with contactless commutation, which is provided with a multi-pole stator winding and with a corresponding number of stationary switching devices and contactless operating control elements in connection with stationary capacitor electrodes rotating with the rotor shaft of the machine, through which the associated stator coils are in series can be fed with current that a rotating magnetic field is created in the stator, are avoided in that according to the invention, a contactless high-frequency oscillator has a number of output windings corresponding to the number of control elements for the switching devices, which are mutually polarized and connected in series that every two successive windings cancel each other out in their voltages and that each output winding is connected via the control elements to two of the fixed capacitor electrodes and with the one through the circulating capacitor gate electrode formed capacitance and the respective control member forms a closed circuit.
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.Preferably, the machine is designed so that each of a Output winding of the high-frequency oscillator, a control element and from the between the respective fixed and rotating capacitor electrode formed capacitance existing closed circuit based on the frequency of the high frequency oscillator represents a tuned resonance circuit.
Ferner ist es zweckmäßig, als Steuerglieder ohmsehe, induktive oder kapazitive Widerstände zu verwenden.It is also useful as control elements ohmic, inductive or to use capacitive resistors.
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.Since the rotating machine according to the invention If an alternating current of high frequency is supplied to the capacitor, the amplifier device receives, to which the switching device is connected, regardless of the speed and consequently, signals of uniform strength even at zero speed. The ones on the control members Accruing energy is due to the fact that the circuits are designed as resonance circuits are big. It also increases the size of the energy generated by using a suitable oscillator frequency can also be set. The ones from the control members The signals emitted are then sufficient to actuate the switching devices from, which is why a multi-stage amplifier device is unnecessary. Also are special Tilting circles superfluous, because the resonance operation means that the inherently sinusoidal, vom Oscillator impressed current curve into a practically rectangular control current curve is converted. This flow of current in turn guarantees rapid switching the semiconductor components to be controlled in the switching devices, which switch the stator current. Because of the relatively high slope of the Control voltage curve can according to the invention contactless commutator machines with particularly high speeds can be constructed.
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.For motors with particularly high speeds, it is advantageous to when the movable electrode in a known manner with increasing speed by one leads a certain amount.
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.In the electrical machine according to the invention, the capacitances are preferably produced in that the capacitor electrodes 9 of the individual resonance circuits are designed as circular ring parts arranged next to one another. over which the sector-shaped capacitor counter-electrode 8 can be passed. Either ohmic, but also inductive or capacitive resistance elements come into consideration as control elements in the grain mutation device.
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.The commutation device according to the invention can be advantageous with single or multi-phase induction machines and with direct current shunt machines and use direct current main or double wound machines. In order to be able to to achieve certain, desired torques, especially at high speeds, the motors are expediently designed as external rotors.
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.The invention is explained in more detail with reference to the exemplary embodiments shown in the drawings. FIG. 1 shows schematically part of the commutation device according to the invention, FIG. 2 shows the curve shape of the control currents in the machine according to the invention, FIG. 3 to 5 show three control options for the current supply to the stator coils.
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. On the basis of FIG. 1 the principle of operation is to be explained. The oscillator 1 with the transformer 2, which can expediently be a transistor inverter, generates an alternating voltage of high frequency. The secondary windings 3, 4, 5 and 6 are mutually polarized so that two consecutive windings cancel each other out in their voltages. The electrode 8 is firmly connected to the rotor 7 , so that the stationary electrodes 9 and 10 experience a large change in capacitance due to the electrode 8 rotating very close to one another. A current of a certain magnitude now flows from the winding 6 , which is determined by the magnitude of the capacitance of the electrodes. This current results in a certain voltage drop across the resistor 11. Instead of the resistor 11 , both an inductance and a capacitance can occur. The transformer 2 will expediently be designed as a stray field transformer. If the LC values are coordinated in such a way that a resonance case is achieved when passing through the electrodes, a relatively very large voltage change is obtained at the control element 11.
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.F i g. 2 shows the change in current across the electrodes as a function of the armature position, the dashed curve 12 showing the current or voltage profile when the resonance is passed through twice. The current profile according to curve 13 results, based on a pair of electrodes, if no resonance conditions are met. Since, as is well known, the controlled semiconductors require the fastest possible shifting of the operating point in switch mode, the ideal control is given by a square-wave current curve. Due to the resonance operation, almost the ideal shape of such a rectangular curve can be achieved. You can also force the ideal shape by using a suitable feedback circuit. On the link 11 according to FIG. 1 one receives the necessary control energy in the necessary size and shape of the current. The alternating current energy, which is taken from the resistor 11 , can be rectified and fed to the amplifiers. F i g. 3 shows a diagram with the connected amplifiers 14, 15, 16 and 17, which are used by the various output circuits of the oscillator according to FIG. 1 can be controlled in a specific sequence. Depending on the armature position or the position of the electrode 8 , one of the amplifiers mentioned is now controlled so that a current flows in one of the stator coils, causing the armature to rotate. Before the electrode 8 has completely left the opposite pair of electrodes, the current begins to flow in the next pair of electrodes, so that a relatively very small overlap of the switching operations is achieved. This ensures that the machine starts automatically in every armature position. The four amplifiers are connected in such a way that the current can flow in both directions in the stator coils. This achieves the highest possible utilization of the motor with a certain size. In Fig. 4, a turn or winding is shown in a simplified form. The two ends are connected to the direct current source via two controllable semiconductors 18, 19, 20 and 21 each. In this case too, the stator winding is used in both directions.
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.F i g. 5 shows a further embodiment. The amplifiers 22 to 251, which are controlled in the manner and sequence described above, are connected to a double number of stator coils. In this case, the current should only flow in one direction through the stator coils, while the necessary field reversal is achieved by the current flow in the second coil. With such a switching method, the entire switching arrangement with regard to the supply of the motor is significantly simplified. In those cases where a compact design of the motor can be dispensed with, the construction according to FIG. 5 use.
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