DE1563009B2 - Gleichstrommaschine mit permanent-magnetischem laeufer und elektronischer kommutierung - Google Patents

Description

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grenzenden magnetisch leitenden Teilen, die auch vom dieser relativ großen Luftspaltfläche ist es also nicht Maschinenfluß durchsetzt sind, schwachpermeabel erforderlich, die Halbleiterwiderstände — wie das sind und eine hohe Koerzitivkraft besitzen. Beispiels- sonst meist wichtig ist — an einer ganz bestimmten weise kann der Permanentmagnet aus oxydischem winzigen Stelle einzujustieren. Vielmehr können die Material mit einer relativen Permeabilität von unge- 5 Halbleiterwiderstände an einer beliebigen Stelle der fähr μ S 1 bestehen. Der Permanentmagnet soll Luftspaltfläche liegen. Der Einbau der Halbleiterschwachpermeabel sein, damit sein magnetischer widerstände ist also beim erfindungsgemäßen Steuer-Widerstand groß gegenüber demjenigen des an den kopf bzw. der Maschine technisch besonders einfach. Halbleiterwiderstand abgrenzenden und für seinen Bei einigen Maschinen, insbesondere bei einigen weiter Fluß und den Maschinenfluß vorgesehenen, magne- io unten beschriebenen (F i g. 1 bis 3) Innenläufertisch leitenden Materials (z. B. Trafoblech) ist. maschinen, kann die erforderliche Anzahl von HaIb-In den Steuermechanismus der erfindungsgemäßen leiterwiderständen vor dem Einbau schon in einem Maschine sind die magnetfeldabhängigen Halbleiter- Ring, der z. B. aus Kunststoff bestehen kann, gesetzt widerstände starr eingebaut, und der Steuerkopf wird werden und dieser Ring dann so auf die Ständerpakete nicht bewegt. Daher kann die Breite der Luftspalte, 15 aufgesetzt werden, daß jeder Halbleiterwiderstand in die die Halbleiterwiderstände eingesetzt sind, auf auf der vorgesehenen Luftspaltfläche liegt,
die Dicke der Halbleiterwiderstände beschränkt Die erfindungsgemäße Gleichstrommaschine kann werden, und schließlich brauchen keine mehr oder sowohl eine Innenläufer- als auch eine Außenläuferweniger stoßempfindlichen Halterungen verwendet maschine sein. Ein Beispiel einer Gleichstrommaschine zu werden. Zwar wird für die magnetfeldabhängigen 20 mit permanentmagnetischem Innenläufer ist der Halbleiterwiderstände meist ein zusätzlicher Luftspalt sogenannte Hörnermotor (s. deutsche Patentschrift im Magnetkreis des Maschinenflusses erforderlich. 1117 721). Dieser besitzt einen Ständer, dei pro Dieser Luftspalt, der im allgemeinen höchstens 100 bis Phase ein langgestrecktes, parallel zur Motorachse 500 μ breit zu sein braucht, ist aber schmal gegenüber verlaufendes Ständerpaket (Polschuh) mit einem dem Luftspalt zwischen Läufer und Ständer. Die 25 gemeinsamen, etwa senkrecht zur Motorachse stehenerfindungsgemäße Maschine hat also fast den gleichen den Rückschlußblech (Joch) enthält. Es können dabei Wirkungsgrad wie die herkömmliche Kollektor- z. B. drei oder sechs Ständerpakete aus Trafoblech maschine. Sie hat dieser aber gegenüber unter anderem vorgesehen sein, die — um 120 bzw. 60° gegeneinander den Vorteil, daß sie keine mechanisch gegeneinander- versetzt — am zylindrischen Läufer (der parallel zu bewegten Kontakte enthält. 30 einem Zylinderdurchmesser permanent magnetisiert Dadurch, daß die Halbleiterwiderstände starr in den ist) entlangführen und vom Läufer nur durch einen zugehörigen Luftspalt eingesetzt sind, ist einerseits schmalen Luftspalt getrennt sind. Die Ständerpakete eine schnelle Abführung der in ihnen frei werdenden bzw. Polschuhe des Hörnermotors sind nach einer Verlustwärme gewährleistet. Andererseits wird das Seite hin parallel zur Motorachse verlängert. Die Widerstands verhältnis Rb/R₀ der Halbleiterwider- 35 verlängerten Teile werden als »Hörner« bezeichnet, stände, da die Luftspaltbreite auf die Dicke dieser Um diese »Hörner« ist je eine Motorwicklung gelegt, Halbleiterwiderstände beschränkt werden kann, so die maschinengewickelt sein kann. Auf die Enden groß, daß die Elektronik, auf die die Halbleiterwider- der Hörner ist die Ständerrückleitung (Joch) des stände im allgemeinen geschaltet werden, sehr einfach Motorflusses aufgesetzt. Die Ständerrückleitung kann aufgebaut sein kann. In einer solchen Elektronik 40 dabei eine massive Scheibe, das »Rückschlußblech« können die Halbleiterwiderstände beispielsweise auf (z. B. aus Trafoblech), sein.

je einen Schaltransistor geschaltet sein, in dessen Bei einer derartigen Innenläufermaschine kann Kollektor-Emitter-Kreis eine zu steuernde Last liegt. jeder magnetfeldabhängige Halbleiterwiderstand ge-Während es bisher im allgemeinen erforderlich war, maß einer Ausbildung der Erfindung zwischen das zwischen einem Halbleiterwiderstand und den Schalt- 45 Rückschlußblech und ein Ständerpaket gesetzt sein, transistor eine weitere Transistorstufe zu schalten, Zur Vormagnetisierung des Halbleiterwiderstandes kann der Halbleiterwiderstand bei der erfindungs- kann dabei ein zur Maschinenachse koaxialer Ringgemäßen Kommutierungseinrichtung unmittelbar auf magnet vorgesehen sein. Beispielsweise kann der den Schalttransistor — und zwar in dessen Kollektor- Ringmagnet parallel oder senkrecht, axial oder radial Basis- oder Emitter-Basis-Kreis — geschaltet werden. 50 zur Maschinenachse magnetisiert sein. Er kann dabei Die Tatsache, daß bei der neuen Maschine pro die Ständerpakete zylinderförmig umgeben. Ebenso Wicklung ein Transistor weniger — bei einer drei- ist es möglich, daß ein Ringmagnet koaxial zur Maphasigen Maschine also drei Transistoren — als bei schinenachse in den zylindrischen Raum zwischen den früheren Maschinen dieser Art gebraucht wird, be- Ständerpaketen eingesetzt oder auf die Enden der deutet einen großen Vorteil und läßt sich damit 55 Ständerpakete — innerhalb oder außerhalb des begründen, daß — vor allem bedingt durch den Rückschlußbleches — aufgesetzt ist. Wenn zwei oder schmalen Luftspalt — das Widerstandsverhältnis mehrere dieser Ringmagnete zugleich verwendet der Halbleiterwiderstände größer ist als bei früheren weiden, soll sich deren Fluß im Bereich der Halbleiter-Maschinen, widerstände addieren.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Steuer- 60 Die zur Vormagnetisierung der Halbleiterwiderkopfes besteht darin, daß die Halbleiterwiderstände, stände angewendeten Magnete können selbstverderen Fläche z. B. nur 1 bis 2 mm² beträgt, meist in ständlich auch andere Formen als die Ringform einen Luftspalt gesetzt sind, der eine Fläche von etwa haben; auch können für jeden Halbleiterwiderstand lOfacher Größe hat. Die Luftspaltfläche ist deshalb getrennte Vormagnetisierungsmagnete vorgesehen sein, im allgemeinen so groß, weil der Luftspalt im starken 65 Die Ringmagnete sind bei der Innenläufermaschine Maschinenfluß liegt, dessen magnetisch leitende Teile lediglich als Beispiel einer einfachen Konstruktion einen gewissen Mindestquerschnitt haben sollen, genannt. Auch können die Ringmagnete bei vielen damit sie nicht magnetisch gesättigt werden. Wegen Anwendungen zusätzlich stabilisierend auf den

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Ständer, insbesondere auf die Ständerpolschenkel, F i g. 13 bis 15 Schnitte durch eine Innenläufer-

wirken. maschine, bei der der Maschinenfluß nur zum Teil

Wesentlich ist aber weder die Form noch die durch die Feldplatte geleitet wird, und

— vorteilhaften — stabilisierend wirkenden Eigen- F i g. 16 und 17 Schnitte durch eine erfindungs-

schaften der zusätzlichen Permanentmagnetkreise. 5 gemäße Außenläufermaschine.

Vielmehr ist wesentlich, daß das magnetische Volumen In den F i g. 1 bis 3 sind gleiche Teile gleich beder Erregermagnete dieser Kreise ausreicht, um den zeichnet. In F i g. 1 ist ein Schnitt senkrecht zur Arbeitspunkt auf der Widerstandskennlinie der Halb- Maschinenachse einer Innenläufermaschine mit einem leiterwiderstände in der oben beschriebenen Weise erfindungsgemäßen Steuerkopf gezeichnet. Die F i g. 2 an die richtige Stelle zu verschieben. Das gelingt bei io und 3 sind Schnitte durch die Maschine gemäß F i g. 1 starkem Maschinenfluß oft nur mit einem entsprechend längs der Linien II-II bzw. III-III. Das in F i g. 1 und 2 starken Fluß des zusätzlichen Permanentmagnet- gezeichnete Ausführungsbeispiel einer dem Hörnerkreises, also nur mit einem relativ großen magnetischen motor entsprechenden Maschine besitzt drei Ständer-Volumen von deren Erregermagneten. Wenn die wicklungen, von denen zwei in F i g. 2 mit 15 und 16 Maschine dadurch nicht verlängert werden soll, ist 15 bezeichnet sind. Die magnetfeldabhängigen Halbleiteres — jedenfalls bei Innenläufermaschinen — zweck- widerstände 1 bis 3 sind zwischen die Ständerpakete 4 mäßig, die Ringmagnete zu verwenden. Selbstver- bis 6 und das Rückschlußblech (Joch) 14 eingeklemmt, ständlich soll deren Vormagnetisierungsfluß trotzdem Die Halbleiterwiderstände 1 bis 3 sind also auf die auch auf die Halbleiterwiderstände konzentriert das Rückschlußblech 14 berührenden Endflächen der werden. Das kann durch an die Kreisform der Ma- 20 Ständerpäkete 4 bis 6 aufgesetzt. Auf der Innenseite schine angepaßte Form der den zusätzlichen Magnet- — also auf der zur Maschine hin gewandten Seite — kreis bildenden Körper erreicht werden. des Rückschlußbleches 14 sind dabei zwei zur Ma-

Bei der Außenläufermaschine ist die Konstruktion schinenachse 7 koaxiale, parallel zu dieser magnetibisweilen einfacher, wenn jeder Halbleiterwiderstand sierte Ringmagnete 8 und 9 vorgesehen, die an die getrennt vormagnetisiert wird. Hat die Außenläufer- 25 Ständerpakete 4 bis 6 angrenzen. Die Halbleiterwidermaschine einen permanentmagnetischen zylindrischen stände werden vom Fluß des Läufers 17 und von den Läufer, so kann gemäß einer weiteren Ausbildung der Flüssen der Magnete 8 und 9 durchsetzt. Die Magnete Erfindung der Läufer in der Maschinenachsrichtung 8 und 9 können die oben beschriebenen Ringmagnete nach einer Seite hin verlängert sein, und die starr mit sein; ihr Fluß durchsetzt das Blech 14, die Ständerdem Ständer verbundene innerhalb des verlängerten 30 pakete 4 bis 6 und die Segmente 18 und 19; letztere Außenläufers ruhende Ständerrückleitung kann für jede sind in dem Schnitt III-III, der in F i g. 3 gezeichnet Ständerwicklung mindestens einen vom Maschinanfiuß ist, deutlicher dargestellt. Es ist jedoch auch möglich, senkrecht zu ihrer Fläche durchsetzten, permanent nur einen Ringmagnet 8 oder 9 zu verwenden oder vormagnetisierten Halbleiterwiderstand enthalten. aber jedem Halbleiterwiderstand einen Teil eines oder

Bei einer Drei-Phasen-Ständerwicklung werden 35 beider Ringmagnete zuzuordnen. Die Segmente 18 drei Halbleiterwiderstände bzw. Anordnungen dieser und 19 wären dann entsprechend zu verkleinern. Bei-Ärt gebraucht, die um 120° gegeneinander versetzt spielsweise reicht es in vielen Fällen aus, für die in den Raum zwischen der Maschinenachse und den Vormagnetisierung der Halbleiterwiderstände nur die verlängerten Außenläufer gesetzt sind. Zu einer Halb- Teile 10,11 bzw. 12 und 13 (und entsprechend bei dem leiterwiderstandsanordnung gehört dabei mindestens 40 Halbleiterwiderstand 3) der Ringmagnete zu verein Permanentmagnet zur Vormagnetisierung. Der wenden.

Fluß dieses Magnets ist dabei so geführt, daß er auf Bei der augenblicklichen Läuferstellung gemäß den Halbleiterwiderstand konzentriert ist. Gleich- F i g. 2 überlagern sich die Flüsse des Läufers und der zeitig wird der Halbleiterwiderstand—je nach Läufer- Magnete 8 und 9 so> daß der Halbleiterwiderstand 1 stellung — mehr oder weniger stark vom Maschinen- 45 praktisch magnetfeldfrei ist und der Halbleiterwiderfluß durchsetzt. Auch dieser Fluß ist genau wie bei der stand 2 einem starken Magnetfeld ausgesetzt ist. Bei Innenläufermaschine im Bereich des Halbleiterwider- Umdrehung des. Läufers 17 um etwa 120° um die Standes konzentriert. Maschinenachse 7 wird die Polarität des Läufers so

An Hand der schematischen Zeichnung von Aus- umgedreht, daß der Halbleiterwiderstand 1 einem

führungsbeispieien werden Einzelheiten der Erfindung 50 starken Magnetfeld ausgesetzt ist und der Halbleiter-

eriäutert; es zeigen widerstand 2 praktisch rnagnetfeidfrei wird.

Fig. 1 bis 3 Schnitte durch eine Innenläufer- In einer erfindungsgemäßen Kommutierungseinmaschine, deren Steuerkopf zwischen Läufer und richtung können die Halbleiterwiderstände auf je Ständerjoch gesetzt ist, einen Schalttransistor geschaltet sein. Dieser Tran-

F i g. 4 und 5 die Widerstandswerte des magnet- 55 sistor, in dessen Arbeitskreis die Erregerwicklung

feldabhängigen Halbleiterwiderstandes in Abhängig- liegt, ist bei entsprechender sonstiger Beschattung

keit vom Rotordrehwinkel, leitend, wenn der ihm zugeordnete Halbleiterwider-

F i g. 6 eine Schaltung für die Kommutierungs- stand hochohmig,. also einem starken Magnetfeld

einrichtung, ausgesetzt ist. Bei der augenblicklichen Läuferstellung

F i g. 7 die Abhängigkeit der Maschinenerregung 60 in F i g. 2 ist dies der Halbleiterwiderstand 2.

von der Größe des Emitter-Basis-Widerstandes gemäß Das Bauprinzip des an sich bekannten Hörner-

F i g. 6, . motors, das in F i g. 1 und 2 erläutert ist, eignet sich

F i g. 8 und 9 Schnitte durch eine Innenläufer- für die Erfindung besonders gut, da bei dieser Ma-

maschine, deren Steuerkopf einen bezüglich der schinenart zwischen die Erregerwicklungen 15 und 16

Maschinenachse axial magnetisierten Erregermagneten 65 und das Rückschlußblech 14 nur der z. B. 0,5 bis 1 cm

enthält und außerhalb des Ständerjochs liegt, lange (in Achsrichtung gemessen) erfindungsgemäße

F i g. 10 bis 12 wie F i g. 8 und 9 mit radial magneti- Steuerkopf gesetzt wird,

siertem Erregermagneten, In einem Ausführungsbeispiel hat der Steuerkopf

einen Durchmesser von 2,5 cm und eine Länge von etwa 1 cm. (Der Steuerkopf ist also keineswegs länger als eine herkömmliche· Kollektoreinrichtung.) Die magnetfeldabhängigen Halbleiterwiderstände können 150 bis 500 μ dick sein; dabei ist in dieser Dicke sowohl die Halbleiterschicht als auch deren Trägerplatte eingerechnet. Die Magnete sind ringförmig und bestehen aus oxydischem Material, z. B. aus Strontium-Ferrit (Ox 100 oder D 52). Das Rückschlußblech (in F i g. 2 mit 14 bezeichnet) soll (zur Herabsetzung von Wirbelstromverlusten) aus einem Material mit hohem elektrischem (Gleichstrom-)Widerstand bestehen. Geeignete Materialien sind z. B. gesintertes Permenorm oder Trafoperm. Es kann auch lameliiertes Blech verwendet werden; dieses Blech kann aber bei einigen Maschinenkonstruktionen (z. B. denjenigen gemäß F i g. 2) zur Vergrößerung des Luftspaltes im Maschinenfluß beitragen.

In den F i g. 4 und 5 ist das relative Widerstandsverhältnis der magnetfeldabhängigen Halbleiterwiderstände Rb/Ro in Abhängigkeit vom Rotordrehwinkel a dargestellt. Die Kurve in F i g. 4 ist mit einem Steuerkopf gemäß Fi gjl und'2 aufgenommen, bei dem nur der innere Ringmagnet 8 verwendet war. In der Kurve gemäß F i g. 4 fällt auf, daß außer den beiden Maxima 20 und 22 auch ein kleines Maximum 21 im Minimum vorkommt. Dieses kleine Maximum (Hocker) vermindert naturgemäß das für die Transistorschaltung ausnutzbare Widerstandsverhältnis der Feldplatte. Der Hocker 21 rührt daher, daß d er Magnet 8 allein zur Vormagnetisierung der Feldplatte nicht ausreicht, d.h., daß der Arbeitspunkt auf der Kennlinie der Feldplatte noch nicht vollkommen richtig eingestellt ist.

In F i g. 5 ist eine der Fi g. 4 entsprechende· Kurve gezeichnet, die mit einer Maschine gemäß F i g. 2 aufgenommen wurde, die sowohl den Ringmagnet 8 als auch den Ringmagnet 9 enthielt. Die Kurve in F i g. 5 besitzt die Hocker 21, die in F i g. 4 störten, nicht mehr. Die Minima 25 und 26 in F i g. 5 sind vielmehr stark ausgeprägt und fast 90° (Drehwinkel) breit. In F i g. 4 beträgt der Wert von RbIRo an den Maxima 20 und 22 etwa 10,7 und am Hocker 21 etwa 1,8. Dagegen beträgt in Fig. 5 das Widerstandsverhältnis RbI'R₀ an den Maxima etwa 12,8 und an den Minima etwa 1. Während die Widerstandsänderung bei der Anordnung gemäß F i g. 4 schon den recht beträchtlichen Faktor 5 hat, liegt er in F i g. 5 bei über 12.

Zum Ansteuern eines Transistors in einer Kommutierungsschaltung, wie sie beispielsweise in F i g. 6 gezeichnet ist, hat es sich in vielen Fällen nicht nur als zweckmäßig erwiesen, ausgeprägte Minima in der drehwinkelabhängigen Widerstandskurve der Halbleiterwiderstände zu haben (s/ 25 und 26 in F i g. 5), sondern auch die Maxima· der Kurve abzuflachen, 55· wie das in Fig. 5 mit der gestrichelten Linie 27 angedeutet ist. Auf diese Weise werden die Flanken der Widerstandskurve steiler als vorher. Die Widerstandskurve etwa zo einzustellen, wie das in Fig. 5 mit 27 angedeutet ist, kann dadurch erreicht werden, daß der Magnetkreis des zusätzlichen Permanentmagneten teilweise aus Ferrit hergestellt wird. Beispielsweise können die Segmente 18 und 19 gemäß F i g. 2 und 3 aus Ferrit bestehen. '-:

Eine Schaltung für die erfindungsgemäße Kornmutierungseinrichtung ist: in F i g. 6 gezeichnet. Bei einer dreipoligen Gleichstrommaschine ist es erforderlich, den Erregerstrom der drei Wicklungen L₁ bis L₃ zu kommutieren. Das geschieht erfindungsgemäß durch Verwendung eines Steuerkopfes mit den Feldplatten Rfi bis Rf₃, die (gemäß F i g. 6) in den Kollektor-Basis-Kreis der Schalttransistoren T₁ bis T₃ eingeschaltet sind. Die Wicklungen L₁ bis L₃ sind zusammen mit der Gleichspannungsquelle bzw. einem Verbraucher U in den Laststromkreis des zugehörigen Transistors eingeschaltet.

In der Schaltung gemäß F i g. 6 sind außerdem die drei Widerstände R₁ bis R₃ erforderlich. Diese Emitter-Basis-Widerstände erlauben durch Wahl ihrer Größe den Schaltwinkel, d.h. die Länge des Mini-, mums gemäß F i g. 5, einzustellen. In F i g. 7 sind zwei Kurven 28 und 29 gezeichnet, die den durch eine Wicklung fließenden Gesamtstrom / iri Abhängigkeit vom Drehwinkel α des Läufers wiedergeben:· In der Schaltung, mit der die Kurven gemäß Fi g. 7 gemessen würden, hatte die Maschinenwicklung einen ohmschen Widerstand von ΊΟ Ω und der Halbleiterwiderstand einen Grundwiderstand von 100 Ω. Am Arbeitskreis lagen 6 V Gleichspannung. Die Kurve 28' wurde 'mit einem Emitter-Basis-Widerstand (entsprechend R₁ bis R₃ von F i g. 6) von 33 Ω aufgenommen, die Kurve 29 mit einem Emitter-Basis-Widerstand von 7Ω. Es' ergibt sich aus F i g. 7 deutlich, daß allein ^:durch^: Änderung der Emitter-Basis-Widerstände der Schalt-' winkel, d. h. die Erregungsdauer, jeder Wicklung auf einfachste Weise einstellbar ist. - ' ''·■··

Es hat sich weiterhin als zweckmäßig, wenn auch^; nicht als notwendig erwiesen, den drei Feldplätten Rf₁ bis Rf₃ gemäß F i g. 6 einen regelbaren Vörwiderstand Rv vorzuschalten. Damit können auf einfache Weise Toleranzen der Kommutierungseinrichtung ausgeglichen werden. Auch läßt sich mit·Hilfe'des Vorwiderstandes das Widerstandsverhältnis der Feldplatte und der Wirkungsgrad der Maschine einstellen bzw.¹ verbessern. Der regelbare Vorwiderstand'i?]/ ^: kann einen Transistor enthalten, der durch Signale gesteuert wird, die über drei Dioden Gl₁ bis¹ GZ₃ von den' drei Erregerwicklungen abgenommen werden¹. ' . ■ ^!

Schließlich kann bei vorgegebenem W'iderstandsverhältnis des Halbleiterwiderstandes das Verhältnis der Kollektorströme der Transistoren im 'ein- und' ausgeschalteten Zustand (der Transistoren) erhöht' werden, wenn den Transistoren ein gemeinsamer Emitter-Widerstand Re vorgeschaltet ist. Dieser Emit-^: ter-Widerstand kann auch regelbar sein.'· ■ · ■ ··

Die F i g. 8 und 9 zeigen Schnitte durch eine Innenläufermaschine, deren Steuerkopf rriihdestens einen bezüglich der Maschinenachse axial maghetisierten Erregermagneten enthält und außerhalb- ^!des Ständerjochs (Rückschlußblech) liegt. Die Maschine gemäß F i g. 8 und 9 besitzt sechs Ständerwicklungen; die um die Ständerpakete 40 bis 45 gelegt sein können. Den Ständerwicklungen entsprechen die sechs Halbleiterwiderstände 1,1' bis 3, 3'. Als weitere Besonderheit gegenüber den vorher beschriebenen Maschinen besitzt die Maschine gemäß F i g. 8 und 9 sechs einzelne Magnete 50 bis 55, die Ringsegmente sein können und zur Vormagnetisierung der Halbleiterwiderstände vorgesehen sind. Dieses Ausführungs-. beispiel einer Sechspolmaschine ist unter anderem angegeben, um zu zeigen, daß die Erfindung nicht auf die Dreipolmaschine beschränkt ist. ^:

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der F i g. 8 und 9 liegen die Halbleiterwiderstände auf der Peripherie des in den durch die Ständerpakete 40 bis 46 gebildeten Hohlraum eingesetzten Rückschlußbleches 46 (Ständer-

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joch). Die Halbleiterwiderstände befinden sich daher Rückschlußblech rückgeleitet, sondern über die HaIbim Maschinenfluß, von dem jede je nach Stellung des leiterwiderstände 1 bis 3. Die Luftspalte der Permaum die Achse 7 drehbaren permanentmagnetischen nentmagnetkreise, in die die Halbleiterwiderstände Rotors (N-S) mehr oder weniger stark durchsetzt gesetzt sind, befindet sich in axialer Richtung neben wird. Die Halbleiterwiderstände befinden sich gleich- 5 dem Spalt zwischen den Ständerpaketen 40, 42 und zeitig im Vormagnetisierungsfluß der Permanent- dem Rückschlußblech 46. Dabei ist der Permanentmagnete 50 bis 55. Dieser Fluß wird durch die weich- magnetkreis jedes Halbleiterwiderstandes magnetisch magnetischen Körper 47 und 48 und das Rückschluß- leitend sowohl mit dem zugehörigen Ständerpaket blech zu Halbleiterwiderstand geleitet. Die Teile 47 als auch mit dem Rückschlußblech verbunden,
und 48 können ebenso wie die Magnete 50 bis 55 in io Wenn es günstig erscheint, die Maxima der Wider-Ringsegmente bzw. Kreisausschnitte aufgeteilt sein. Standskurven der Halbleiterwiderstände abzuflachen, Es ist aber auch möglich, an Stelle der einzelnen wie das mit 27 in F i g. 3 bezeichnet ist, kann zwischen Magnete 50 bis 55 einen einzigen Ringmagnet zu ver- Ständerpaket und Permanentmagnetkreis und/oder wenden. In F i g. 8 ist in die Magnetkreise der Halb- zwischen Rückschlußblech und Permanentmagnetleiterwiderstände 1 und Γ je ein Ferritsegment 49 ein- 15 kreis ein Ferritkörper 77 bzw. 78 bis 80 gesetzt sein, gezeichnet. Dieses Segment kann die gleiche Fläche Der innere Ferritkörper77 kann, wie in Fig. 14 (gemessen senkrecht zum Magnetfluß) haben wie die gezeichnet, ein Kreisring sein. Dagegen sollen die Magnete 50 bis 55. Letztere sind in F i g. 9 etwas äußeien Ferritkörper 78 bis 80 Ringsegmente sein, größer gezeichnet als die Ständerpakete. Mit Hilfe deren Umfangswinkel dem der Magnetkreise 71 bis 73 der Ferritsegmente 49 kann erreicht werden, daß die 20 entspricht.

Maxima der Widerstandskurven der Halbleiterwider- Wie in Fig. 15 gezeichnet ist, kann der innere

stände abgeflacht werden, wie das in F i g. 5 mit 27 Ferritring 77 auch weggelassen werden. In diesem Fall

bezeichnet ist. ist es zweckmäßig, den Magnetkreis bis an das Rück-

In den F i g. 10 bis 12 ist eine ähnliche Maschine schlußblech heran zu verlängern, wie das mit 81

wie in F i g. 8 und 9 gezeichnet. Bei dieser Maschine 25 bezeichnet ist. Im übrigen entspricht die F i g. 15

ist jedoch der Erregermagnet60 des Vormagneti- der Fig. 13.

sierungskreises (46, 47, 61) des Halbleiterwiderstandes In den F i g. 16 und 17 ist eine Außenläufermaschine

radial bezüglich der Maschinenachse 7 magnetisiert. bzw. deren Steuerkopf in zwei Schnitten gezeichnet.

Außerdem ist die Maschine gemäß F i g. 10 bis 12 Fig. 17 ist ein Schnitt längs der Linie XVII-XVII

dreipolig. Die F i g. 11 ist ein Schnitt längs der 30 von F i g. 16. Die Halbleiterwiderstände sind mit 1 bis 3

Linie XI-XI und die F i g. 12 ein Schnitt längs der bezeichnet. Sie sind in je einen Magnetkreis 88 bis 90

Linie XII-XII von F i g. 10. Der Erregermagnet 60 mit einem Permanentmagnet 91 gesetzt, die in F i g. 16

kann ein Kreisring sein, wie er in F i g. 10 und 11 zu sehen sind. Die permanente Vormagnetisierung

gezeichnet ist. Während die Teile 47 und 61 bis 63 der Halbleiterwiderstände ist bei den Halbleiterwider-

der Permanentmagnete aus Weicheisen bestehen 35 ständen 1 bis 3 radial bezüglich der Maschinenachse 7

können, ist es zweckmäßig, das in der Regel kreis- gerichtet. Ebenfalls senkrecht zur Halbleiterwider-

förmige Rückschlußblech (Joch) 46 aus Trafoblech standsebene verläuft auch der durch den Ständer 86

herzustellen. Das gleiche gilt übrigens für die Perma- rückgeleitete Fluß des zylindrischen Außenläufers 87.

nentmagnetkreise gemäß F i g. 8 und 9. Die drei Halbleiterwiderstandsanordnungen gemäß

In den F i g. 13 bis 15 sind Schnitte durch eine 40 Fig. 13 und 17 sind starr mit dem Ständer gekoppelt,

Innenläufermaschine gezeichnet, bei der der Ma- während der Außenläufer 87 umd die Achse 7 drehbar

schinenfluß nur zum Teil durch die Halbleiterwider- ist. Der Außenläufer ist magnetisiert, wie in F i g. 16

stände geleitet wird. Die Halbleiterwiderstände 1 bis 3 und 17 mit S-N bezeichnet. Je nach Stellung des

befinden sich gewissermaßen in einem Nebenschluß Läufers ist also in F|i g. 17 einmal der Halbleiterwider-

des Maschinenflusses. F i g. 14 stellt einen Schnitt 45 stand 1 und ein anderes Mal der Halbleiterwider-

längs der Linie XIV-XIV durch F i g. 13 dar. stand 2 hochohmig bzw. niederohmig, und die diesem

In den F i g. 13 bis 15 ist zur Vormagnetisierung Halbleiterwiderstand entsprechende Wicklung des

jedes Halbleiterwiderstandes ein Permanentmagnet- Ständers (in F i g. 16 und 17 nicht gezeichnet) wird

kreis 71 bis 73 mit den Permanentmagneten 74 ver- erregt bzw. nicht erregt.

wendet. Es kann für jeden Permanentmagnetkreis ein 50 Als Material für die magnetfeldabhängigen Halbeinzelner Magnet oder für alle drei zusammen ein leiterwiderstände aller Gleichstrommaschinen gemäß radial magnetisierter Ringmagnet verwendet werden. der Erfindung sind stark magnetfeldabhängige HaIb-Der Luftspalt jedes Permanentmagnets, in dem der leitersubstanzen geeignet, z. B. die bekannten AmBv-Halbleiterwiderstand eingesetzt ist, ist in der Maschine Verbindungen, wie Indiumantimonid oder Indiumgemäß F i g. 13 bis 15 von einem Teil des Maschinen- 55 arsenid, aus der III. und V. Gruppe des Periodenflusses der dem Halbleiterwiderstand zugeordneten systems der Elemente. Man erhält, wie z. B. in der Ständerpakete (40, 42) durchsetzt. Der Durchmesser Zeitschrift für Physik, Bd. 176, 1963, S. 399 bis 408, des kreisförmigen, koaxial in den zylindrischen Hohl- beschrieben ist, besonders starke Magnetfeldabhängigraum zwischen den Ständerpaketen eingesetzten keit, wenn im Halbleitermaterial parallel zueinander Rückschlußbleches (Joch) 46 ist kleiner als die lichte 60 ausgerichtete nadeiförmige Einschlüsse eingebettet Weite des zylindrischen Hohlraumes. Daher wird ein sind, beispielsweise Nadeln aus Nickelantimonid in Teil des Maschinenflusses nicht unmittelbar über das Indiumantimonid.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (22)

Patentansprüche:

1. Gleichstrommaschine mit permanentmagnetischem Läufer und elektronischer Kommutierung mittels magnetfeldabhängiger Halbleiterwiderstände, die in Abhängigkeit von der Läuferstellung die Kommutierungseinrichtung steuern, dadurch gekennzeichnet, daß der Läuferfluß axial längs des Ständers geführt und über ein Joch (14) zurückgeleitet ist und die magnetfeldabhängigen Halbleiterwiderstände (1 bis 3) jeweils in einem Luftspalt zwischen ruhenden Teilen (4,14; 5, 14) dieses magnetischen Rückschlusses, die angrenzenden Teile berührend, eingepaßt sind und daß dieser Luftspalt im Läuferfluß und im Magnetkreis mindestens eines am Ständer befestigten Permanentmagneten (8, 9) liegt (F i g. 1 bis 3).

2. Gleichstrommaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt bei Erregung der dem magnetfeldabhängigen Halbleiterwiderstand zugehörigen Ständerwicklung auch von deren Fluß durchsetzt ist.

3. Gleichstrommaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den den magnetischen Rückschluß bildenden Teilen (4 bis 6) mindestens ein gegenüber diesen schwach permeabler Permanentmagnet (8, 9) vorgesehen ist.

4. Gleichstrommaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Koerzitivkraft des Permanentmagneten groß gegen diejenige der Rückschlußteile ist.

5. Gleichstrommaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet ringförmig ist und koaxial zur Maschinenachse (7) angeordnet ist.

6. Gleichstrommaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet axial (F i g. 2, 8) oder radial (F i g. 10,13) bezüglich der Maschinenachse magnetisiert ist.

7. Gleichstrommaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkreis des Permanentmagneten teilweise (18, 19) aus Ferrit besteht (F i g. 2 und 3).

8. Gleichstrommaschine nach einem der An-Sprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder magnetfeldabhängige Halbleiterwiderstand (1 bis 3) zwischen das Rückschlußblech (14) und ein Ständerpaket (4 bis 6) gesetzt ist.

9. Gleichstrommaschine nach Anspruch 8, dadurch gkennzeichnet, daß die magnetfeldabhängigen Halbleiterwiderstände auf die den Rückschlußblech gegenüberstehenden Endflächen der Ständerpakete aufgesetzt sind (F i g. 1 und 2).

10. Gleichstrommaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Innenseite des Rückschlußbleches mindestens ein zur Maschinenachse koaxial und parallel zu dieser magnetisierter Ringmagnet (8,9) vorgesehen ist, der an die Ständerpakete (4 bis 6) angrenzt.

11. Gleichstrommaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetfeldabhängigen Halbleiterwiderstände auf der Peripherie des in den durch die Ständerpakete (40 bis 45) gebildeten Hohlraum eingesetzten Rückschlußbleches (46) aufgelegt sind (F i g. 8 bis 12).

12. Gleichstrommaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (50 bis 55, 60) und der Läufer (17) sich auf verschiedenen Seiten des Rückschlußbleches (46) befinden (F i g. 8 bis 12).

13. Gleichstrommaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (50 bis 55) axial bezüglich der Maschinenachse (7) magnetisiert ist (F i g. 8 und 9).

14. Gleichstrommaschine nach den Ansprüchen 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (50 bis 55) als axiale Verlängerung der Ständerpakete (40 bis 45) auf deren Enden aufgesetzt ist (F i g. 8 und 9).

15. Gleichstrommaschine nach den Ansprüchen 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Permanentmagnet (50 bis 55) und Ende jedes Ständerpaketes (40 bis 45) je ein Ferrit-Ringsegment (49) gesetzt ist, dessen Radius und Umfangswinkel größenordnungsmäßig mit den entsprechenden Maßen des zugehörigen Ständerpaketes gleich ist (F i g. 8 und 9).

16. Gleichstrommaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (60) radial bezüglich der Maschinenachse (7) magnetisiert ist (Fig. 10 bis 12).

17. Gleichstrommaschine nach den Ansprüchen 11, 12 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (60) ein Kreisring ist (F i g. 10 bis 12).

18. Gleichstrommaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der den magnetfeldabhängigen Halbleiterwiderstand enthaltende Luftspalt nur von einem Teil des Maschinenflusses des zugeordneten Ständerpaketes durchsetzt ist (F ig. 13 bis 15).

19. Gleichstrommaschine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des kreisförmigen, koaxial in den zylindrischen Hohlraum zwischen den Ständerpaketen (40, 42) eingesetzten Rückschlußbleches (46) kleiner ist als die lichte Weite des zylindrischen Hohlraumes und daß der radiale Luftspalt des Permanentmagnetkreises in axialer Richtung neben dem radialen Luftspalt zwischen Ständerpaketen und Rückschluß blech liegt, wobei der Permanentmagnetkreis sowohl mit den Ständerpaketen als auch mit dem Rückschlußblech magnetisch leitend verbunden ist (F i g. 13 bis 15).

20. Gleichstrommaschine nach den Ansprüchen 18 und 19, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Permanentmagnetkreis und Ständerpaket und/oder zwischen Permanentmagnetkreis und Rückschlußblech ein Ferritkörper (77 und 78 bis 80) liegt (F i g. 13 bis 15).

21. Gleichstrommaschine nach den Ansprüchen 1 bis 4 mit permanentmagnetischem, zylindrischem Außenläufer, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer (87) in Maschinenachsrichtung (7) nach einer Seite hin verlängert ist und daß die starr mit dem Ständer (86) verbundenen, innerhalb des verlängerten Außenläufers ruhenden magnetischen Rückschlußteile für jede Ständerwicklung mindestens einen vom Maschinenfluß senkrecht zu seiner Fläche durchsetzten magnetfeldabhängigen Halbleiterwiderstand (1 bis 3) enthält (F i g. 16 und 17).

22. Gleichstrommaschine nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnetkreis einen bezüglich der Maschinenachse (7)

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radial magnetisierten Permanentmagneten (91) ent- Die Empfindlichkeit von magnetfeldabhängigen

hält. Halbleiterwiderständen kann zwar dadurch erhöht

werden, daß ihr Arbeitspunkt durch eine magnetische

Vorspannung in den steilen Teil ihrer Kennlinie verlegt

5 wird, wie der Zeitschrift »Elektronik«, 1965, H. 8,

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gleichstrom- S. 225 bis 229, zu entnehmen ist. Für eine elektronische maschine mit permanentmagnetischem Läufer und Kommutierung mit magnetfeldabhängigen Halbleiterelektronischer Kommutierung mittels magnetfeld- widerständen soll aber zugleich der Widerstand R₀ abhängiger Halbleiterwiderstände. . möglichst niedrig sein, damit man ein hohes Wider-

Solche Gleichstrommaschinen sind bekannt aus der io Standsverhältnis erhält.

deutschen Auslegeschrift 1 218 503. Diese Maschinen Die zuvor angegebene Aufgabe wird nun erfindungssind mit einem am Läufer befestigten Steuermagneten, gemäß dadurch gelöst, daß der Läuferfluß axial einem sogenannten Steuerkopf, versehen, dessen Feld längs des Ständers geführt und über ein Joch zurückauf magentfeldabhängige Halbleiterwiderstände ein- geleitet ist und die magnetfeldabhängigen Halbleiterwirkt. Diese Widerstände sind im Steuerkreis von 15 widerstände jeweils in einem Luftspalt zwischen steuerbaren Halbleiterbauelementen, insbesondere ruhenden Teilen dieses magnetischen Rückschlusses, Transistoren, angeordnet, die in Reihe mit der die angrenzenden Teile berührend eingepaßt sind und Ständerwicklung geschaltet sind und somit den daß dieser Luftspalt im Läuferfluß und im Magnetkreis Ständerstrom und damit die Drehzahl der Maschine mindestens eines am Ständer befestigten Permanentsteuern. Bei dem bekannten Gleichstrommotor sind 20 magneten liegt.

die Widerstände der elektronischen Kommutierung Diese Anordnung der magnetfeldabhängigen Halbin den Luftspalt zwischen einem ortsfesten und einem leiterwiderstände in dem besonderen Luftspalt, der drehbaren Teil des Steuerkopfes angeordnet. Der von dem Luftspalt zwischen Ständer und Läufer drehbare Teil des Steuerkopfes ist dabei lediglich unabhängig ist, ermöglicht eine Konzentration des mechanisch mit der Läuferachse gekoppelt und dreht 25 Magnetflusses auf die einzelnen Halbleiterwiderstände sich zugleich mit dem Läufer. Der Luftspalt des und damit eine entsprechende Erhöhung des Wider-Magnetkreises muß also so breit sein, daß die Halb- Standsverhältnisses.

leiterwiderstände in ihm frei beweglich sind. Die Der magnetfeldabhängige Halbleiterwiderstand kann Wärmeabführung von solchen Widerständen ist vorzugsweise in einen Luftspalt der ruhenden Ständerschwierig. Die Einrichtung ist deshalb nur für ver- 30 rückleitung des Läuferflusses (B), der bei Erregung hältnismäßig geringe Ströme geeignet. der zugehörigen Ständerwicklung auch von deren Fluß

Es ist ferner bekannt, bei elektrischen Maschinen durchsetzt ist, starr eingesetzt sein,
mit permanentmagnetischem Läufer die magnetfeld- Der am Ständer befestigte zusätzliche Permanentabhängigen Steuerelemente der Kommutierungsein- magnet dient dazu, den Arbeitspunkt auf der — bis richtung ruhend anzuordnen. Nach den USA.- 35 etwa 5 kG — etwa parabelförmigen Magnetfeld-Patentschriften 3 254 285, 3 230 434 werden Hall- Widerstandskennlinie (R ~ B²) des Hableiterwidergeneratoren verwendet, die entweder unmittelbar am Standes so einzustellen, ihn also so »vorzumagneti-Luftspalt zwischen Ständer und Läufer, aber im sieren«, daß während der Drehung des permanent-Ständer selbst oder unabhängig vom Ständer, aber magnetischen Läufers der Widerstandswert sich in der Nähe des permanentmagentisierten Läufers 40 zwischen seinem möglichem Minimum R₀ und dem angeordnet sind. Sie werden somit nur von einem Maximum Rb ändert. Der Widerstand R₀ soll sich geringen Teil des Magnetflusses durchsetzt, und nur einstellen, wenn im Bereich des Halbleiterwiderstandes dieser Teil ist für die Kommutierung wirksam. der Maschinenfluß B dem Fluß des zusätzlichen Per-

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, manentmagnetkreises entgegengerichtet ist. Den Widie elektronische Kommutierung der bekannten 45 derstand Rb soll der Halbleiterwiderstand haben, Maschinen so zu verbessern, daß die Steuerelemente wenn in seinem Bereich der maximale Maschinenfluß mit einem guten Wirkungsgrad so große Ströme und der Fluß des Permanentmagnetkreises gleichschalten können, daß auf nachgeschaltete Verstärker gerichtet sind. Zwischen zwei Widerstandsmaxima Rb verzichtet werden kann und daß eindeutige, der soll sich ein ausgeprägtes Widerstandsminimum R₀ be-Läuf erläge zugeordnete Schaltzeitpunkte erzielt werden. 50 finden. Ist der Halbleiterwiderstand beispielsweise

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß bei in den Kollektor-Basis-Kreis eines Schalttransistors Verwendung von magnetfeldabhängigen Halbleiter- eingeschaltet, in dessen Kollektor-Emitter-Kreis die widerständen der Wirkungsgrad der Kommutierungs- zugehörige Maschinenwicklung und eine Gleicheinrichtung wesentlich bestimmt wird durch das Spannungsquelle bzw. ein Verbraucher liegt, so bleibt Verhältnis des Widerstandswertes Rb mit Magnetfeld 55 diese Wicklung während eines Widerstandsbereiches zum Widerstandswert R₀ ohne Magnetfeld. Dieses um das Maximum stromlos. Während eines Wider-Widerstandsverhältnis wird um so größer, je höher Standsbereiches um das Minimum jedoch ist der der Magnetfluß im Luftspalt, d. h. je kleiner der Transistor leitend, und die zugehörige Wicklung Luftspalt ist. Einen kleinen Luftspalt erhält man mit wird erregt. Um also den Transistor (d.h. die Maschine) der ruhenden Anordnung der Widerstände. Die 60 sicher durchschalten zu können, ist es wichtig, ein ruhende Anordnung ermöglicht zugleich eine gute möglichst großes Widerstandsverhältnis Rb/R₀, d. h. Wärmeabführung, die für hohe Ströme erforderlich ist. deutlich getrennte Maxima und Minima, zu haben.

Um eine exakte Kommutierung zu gewährleisten, Zur Erregung des zusätzlichen Permanentmagnetmüssen außerdem die Schaltimpulse ähnlich hoch kreises jedes magnetfeldabhängigen Halbleiterwiderwie bei Maschinen mit mechanischen Kollektoren 65 Standes, der diese, wie beschrieben, vormagnetisieren und der Stellung des Läufers eindeutig zugeordnet soll, werden bei der erfindungsgemäßen Maschine sein. Eine genaue Zuordnung ist aber nur durch eine vorzugsweise Magnete verwendet, die gegenüber dem empfindliche Steuerung möglich. an sie und dem an den Halbleiterwiderstand an-