DE2147474A1 - Schaltungsanordnung für Hysteresemotoren - Google Patents

Description

Patentanwalt Frankfurt am Main,

6 Frankfurt/Main 1, Ammelburflstr.34 ^den 22.9.1971

H 31 P 287

KONEYWELL INC.
2701 Fourth Avenue South Minneapolis, Minn./USA

Schaltungsanordnung für Hysteresemotoren

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für Hysteresemotoren, welche den Rotor im übermagnetisierten Zustand hält.

Es ist aus einem Aufsatz "The Hysteresis Motor - Advances which Permit Economical Fractional Horsepower Ratings", veröffentlicht in Transaction of the American Institute of Electrical Engineers, Band 66, 1947, Seiten 419-1430 bekannt, daß sich durch Übermagnetisierung des Rotors der Leistungsfaktor eines Hysteresemotors verbessern und seine Stromaufnähme verringern läßt. Im Synchronlauf existiert im Hysteresemotor ein von den Statorwicklungen erzeugtes rotierendes Magnetfeld, welches im Rotor einen Magnetpfad entstehen läßt. Der Rotor besteht üblicherweise aus permanentmagnetischem Material. Bei jedem Rotorumlauf muß ein Magnetisierungsstrom zugeführt werden. Ist jedoch der Rotor infolge Zufuhr eines größeren Stromes übermagnetisiert, so wird die zum Antrieb des Motors benötigte Spannung geringer und kein Magnetisierungsstrom benötigt, weil sich der Rotor in einem Zustand ständiger Magnetisierung befindet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine den Rotor eines Hysteresemotors ständig im übermagnetisierten Zustand haltende Schaltungsanordnung vorzusehen, welche den Magnetisierungsstrom jeweils nur dann erhöht, wenn keine Übermagnetisierung vorhanden ist, so daß insgesamt die Leistungsaufnahme auf ein Minimum

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reduziert wird. Dies ist besonders bei aus einer Batterie oder einem Bordnetz betriebenen Motoren wichtig, wie sie in Kreiselgeräten von Flugkörpern Verwendung finden.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß eine Detektorschaltung zum Feststellen des Magnetisierungszustandes des Rotors vorgesehen ist und bei fehlender Übermagnetisierung einen Oszillator einschaltet und daß eine auf das Oszillatorausgangssignal ansprechende Anordnung einen erhöhten Motorstrom einschaltet'. Eine solche Schaltungsanordnung zeichnet sich durch einen besonders niedrigen Eigenstromverbrauch aus, W arbeitet völlig selbsttätig und schaltet darüberhinaus. den Motorstrom stoßfrei, d.h. ohne das Auftreten von Induktionsspannungsstößen um.

Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Zur Erläuterung der Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels zeigen die Zeichnungen in Figur 1 das Blockschaltbild der Schaltungsanordnung mit den Statorwicklungen eines Hysteresemotors, dessen Rotormagnetisierung überwacht werden soll,

Figur 2 das Schaltbild eines Präzisionsgleichrichters und Pegeldetektors, wie er in der Schaltung gemäß Figur 1 ver- | wendet wird,

Figur 3 das Schaltbild einer in Figur 1 eingesetzten Gatterschaltung, eines Oszillators und eines Spannungswahlschalters und
Figur 4 das Schaltbild der Motorstromversorgungsschaltung.

Zunächst wird anhand von Figur 1 die Gesamtschaltung erläutert. Dort sind die Wicklungen 1 und 2 des Hysteresemotors -zwischen die Klemmen 3 und 4 bzw. 5 und 6 eingeschaltet. Dabei bilden die Klemmen 4 und 6 die Eingangsklemmen der Schaltungsanordnung und die Klemmen 3 und 5 die Ausgangsklemmen der Schaltungsanordnung. Die Eingangsklemmen 4 und 6 sind miteinander verbunden und über einen Widerstand 7 an Masse angeschlossen. Dieser Widerstand wird vom Motorgesamtstrom der Wicklungen 1 und 2 durchflossen, so daß

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mm *3 mm

am Widerstand eine dem Motorgesamtstrom proportionale Spannung abfällt. Diese wird dem Eingang eines Präzisionsgleichrichters

8 zugeleitet, dessen Gleichstromausgangssignal zu einem Spannungspegeldetektor 9 gelangt. Dieser erzeugt beim Erreichen eines bestimmten Spannungspegels ein entsprechendes logisches Ausgangssignal. Wie später noch im einzelnen beschrieben wird, ist normalerweise ein positives Ausgangssignal vorhanden, welches auf den Wert Null absinkt, sobald die Ausgangsspannung des Gleichrichters

9 einen bestimmten Spannungspegel überschreitet, was einer Entmagnetisierung, d.h. einer fehlenden Übermagnetisierung des Rotors entspricht.

Das logische Ausgangssignal des Pegeldetektors 9 gelangt an ein Und-Gatter 11, welches ein entsprechendes logisches Signal an den Oszillator 12 abgibt. Dieser erzeugt ein pulsierendes Ausgangssignal nur, wenn das seinem Eingang zugeführte logische Signal einen niedrigen Pegel hat, d.h. der Rotor entmagnetisiert ist. Das pulsierende Ausgangssignal des Oszillators wird zum Schalten eines zwei mögliche Schaltzustände aufweisenden Spannungswahlschalters 13 benutzt. Beim Fehlen eines pulsierenden Ausgangssignales legt der Wahlschalter 13 die Gleichspannung der Klemme 14 an die Motorstromversorgungsschaltung 15, welche hieraus zwei um 90 phasenversetzte Wechselspannungen erzeugt und an die Klemmen 3 und 4 abgibt. Diese beiden Wechselspannungen speisen die Wicklungen 1 und 2 des Motors. Beim Vorhandensein eines pulsierenden Ausgangssignals des Oszillators 12 schaltet der Wahlschalter 13 wiederholt in seinen anderen Schaltzustand um, in welchem er "eine höhere Gleichspannung von der Klemme 16 an die Motorversorgungsschaltung 15 legt. Diese MotorStromimpulse höherer Spannung erhöhen die Magnetisierung des Rotors und halten solange an, bis der Pegeldetektor 9 eine das Erreichen der Übermagnetisierung des Rotors kennzeichnende Spannung an seinem Eingang feststellt;.

Im folgenden soll anhand von Figur 2 der Präzisionsgleichrichter 8 erläutert werden. Er enthält einen Operationsverstärker 20,

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dessen invertierender Eingang über einen Widerstand 21 und einan Kondensator 22 an die Klemme 4 angeschlossen ist und dessen nichtinvertierender Eingang über einen Widerstand 23 mit Masse verbunden ist. Der letztgenannte Widerstand bestimmt den Wert der dem nichtinvertierenden Eingang zugeführte Bezugsspännung. Zwei Dioden 24 und 25 sind antiparallel zwischen die beiden Eingänge des Operationsverstärkers 20 eingeschaltet. Zwei weitere Dioden 26 und 27 liegen mit zwei Widerständen 28 und 29 im Rückkopp lung snetzwerk des Verstärkers und bewirken eine Gleichrichtung beider Halbwellen des Verstärkerausgangssignals.

P Figur 2 zeigt ferner den Pegeldetektor 9, welcher einen Operationsverstärker 30 enthält. Der invertierende Eingang des Verstärkers 30 erhält über die Widerstände 31 und 32 das Halbwellenausgangssignal des Gleichrichters 8, wobei ein Glättungskondensator 33 die Welligkeit verringert. Der nichtinvertierende Eingang des Verstärkers 30 ist über einen Dämpfungswiderstand 34 an die Gleichstromkiemme 14 angeschlossen. Zwei Dioden 35 und 36 liegen auch hier in Antiparallelschaltung zwischen den beiden Verstärkereingängen. Zwei Widerstände 37 und 38 sind in den Rückführ Stromkreis des Verstärkers eingeschaltet, und ein vom Verbindungspunkt dieser beiden Widerstände nach Masse geschalteter Widerstand 39 sorgt für die erforderliche Vorspannung am nichtinvertierenden

| Verstärkereingang.

Im Betrieb wird die gesiebte Halbwellenspannung am invertierenden Eingang des Verstärkers verglichen mit der seinem nichtinvertierenden Eingang zugeführten Spannung. Ist die gesiebte Halbwellenspannung kleiner als die Bezugsspannung am nichtinvertierenden Eingang, so entsteht an der Ausgangsklemme 40 des Verstärkers eine positive Spannung, welche auf Null zurückgeht sobald die Spannung am invertierenden Eingang größer ist als am nichtinvertierenden Verstärkereingang. Der Widerstand 34 ist derart eingestellt, daß dieses nur im Falle zu geringer Rotormagnetisierung geschieht.

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Figur 3 zeigt im einzelnen den schaltungstechnischen Aufbau des Und-Gatters 11, des Oszillators 12 und des Spannungswahlschalters 13. Das Und-Gatter 11 ist ein Dioden-Widerstandsgatter mit einer Diode 45 und einem Widerstand 46, die an eine Gleichstromquelle 47 angeschlossen sind. Bei Zufuhr eines positiven logischen Signals an die Klemme 40 gelangt von der Klemme 47, welche ein weiteres positives logisches Eingangssignal darstellt, ein Ausgangssignal an den Eingang des Oszillators 12. Dieser wird von den Gleichstromquellen l4 und 16 mit Strom versorgt und enthält u.a. eine Doppelbasisdiode 50 und zwei Transistoren 51 und 52 sowie eine Zenerdiode 53, welche als Schwellwertschalter für den Oszillator dient.

Gelangt die Spannung von der Klemme 47 zum Oszillatoreingang, so wird der Transistor 51 durchgeschaltet. Folglich ist der Basisstrom des Transistors 52 gering und dieser Transistor gesperrt. Wird nun die Spannung 47 vom Eingang des Oszillators getrennt, weil das positive logische Signal an der Klemme 40 verschwindet, so sperrt der Transistor 51 und der Transistor 52 wird durchgeschaltet. Gleichzeitig beginnt der Kondensator 54 sich aufzuladen und erreicht nach gewisser Zeit einen Spannungspegel, bei welchem die Doppelbasisdiode 50 leitend wird. Da die Spannung am Kondensator sich nicht plötzlich ändern kann, wird hierdurch die Basis ■ des Transistors 52 negativ vorgespannt und dieser Transistor gesperrt. Anschließend entlädt sich der Kondensator, wonach der Vorgang sich wiederholt. Beim Fehlen eines positiven Spannungssignals am Eingang des Oszillators wird somit der Transistor 52 fortlaufend ein- und ausgeschaltet, d.h. er schwingt.

Der Spannungswahlschalter 13 umfaßt u.a. einen Transistor 60 sowie zwei Transistoren 61 und 62 in Darlington-Schaltung. Ist der Transistor 52 gesperrt, so ist auch der Transistor 60 nicht leitend. Folglich sind auch beide Transistoren 61 und 62 gesperrt. Sonit gelangt nur die niedrigere Gleichspannung der Klemme 14 über die Induktivität 63 an die Ausgangsklemme 64.

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Fängt der Transistor 52 an Strom zu führen, so entsteht eine Vorspannung zwischen Emitter und Basis des Transistors 60, welche diesen Transistor durchschaltet. Infolgedessen wird auch der Transistor 61 und mit ihm der Transistor 62 leitend. Die Emitterspannung des letztgenannten Transistors ist die höhere Gleichspannung an der Klemme 16, welche unter dem Einfluß einer Zenerdiode 65 mit Parallelkondensator 66 zur Ausgangsklemme 64 gelangt. Sobald der Transistor 60 sperrt, entlädt sich der Kondensator 66, welcher einen hochohmischen Entladepfad hat, langsam, so daß der Transistor 62 langsam in den Sperrzustand übergeht. Man erreicht c"lso eine allmähliche und stoßfreie Umschaltung zwischen den beiden Spannungswerten, so daß der den Motorwicklungen zugeführte Strom langsam zwischen einem höheren und einem niedrigeren Wert hin und her pendelt. Dieser allmähliche Übergang zwischen zwei Stromwerten verhindert das Entstehen von Induktionsspannungsspitzen.

. Schließlich soll anhand von Figur 4 die Stromversorgungsschaltung 15 für den Motor näher erläutert werden. Figur 4 zeigt nur eine Hälfte der Schaltung. Die andere Hälfte ist identisch aufgebaut mit dem einzigen Unterschied, daß die beiden Wechselstromquellen gegenüber den Spannungen der gezeigten Stromquellen 70 und 71 jeweils um 90° phasenverschoben sind. Bei den beiden Wechselstrom-P quellen 70 und 71 handelt es sich um Quellen für Rechteckschwingungen mit niedrigem Spannungspegel. Sie speisen die beiden Arme eines Gegentaktverstärkers, welche jeweils aus einem Kondensator 72 bzw. 73, einem Widerstand 74 bzw. 75 und einem Transistor 76 bzw. 77 sowie der Primärwicklung eines Transformators 78 bestehen. Die Mittelanzapfung der Primärwicklung des Transformators 78 ist an eine eine positive Gleichstromversorgungsspannungsspannung liefernde Klemme 79 angeschlossen. In der Sekundärwicklung des Transformators 78 entsteht somit ein Wechselstromsignal. Ein zweiter Gegentaktverstärker ist an die Sekundärwicklung des Transformators 78 angeschlossen und enthält einen Einsteilwiderstand 80, zwei Dioden 81 und 82 sowie Transistorpaare 81,84 und 85 und 86

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jeweils in Darlington-Schaltung sowie die Primärwicklung eines

weiteren Transformators 87. Die Sekundwärwicklung des Transformators 87 ist zwischen die Klemme 3 (vgl. Figur 1) und Masse eingeschaltet. Die Mittelanzapfung der Primärwicklung des Transformators 87 ist an die Ausgangsklemne 64 des Spannungswahlschalters 13 (vgl. Figur 3) angeschlossen. Somit steuert die Ausgangsspannung des Wahlschalters die Amplitude der den Motorwicklungen 1 und 2 zugeführten Wechselspannungen.

über die in den Unteransprüchen gekennzeichneten Merkmale hinaus sind alle in den beigefügten Zeichnungen nebst zugehöriger Beschreibung offenbarten Schaltungsmerkmale als erfindungswesentlicL anzusehen.

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Claims (5)

1. Patentansprüche

   [ 1.^Schaltungsanordnung für einen Hysteresemotor/ welche den Rotor im übennagnetisierten Sustand hält, dadurch g e " kennzeichnet^ daß eins Detektorschaltung (7,8,9) zum Feststellen des Magnetisierungsz-ustandes des Rotors vorgesehen ist und bei fehlender Übermagnetisierung einen Oszillator (12) einschaltet und daß eine auf das Oszillatorausgangssignal ansprechende Anordnung(13) einen erhöhten Motorstrom einschaltet.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, äadurch g e -

   k e η. π 3 ei c h η e t, daß die Detektorschaltung {7,8^9} den Motorgesamtstrom mißt.
3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorschaltung den Spannungsabfall an einem vom Motorgesamtstrom durchflossenen Widerstand (7) mißt.
4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch g e kennnzeichnet, daß die Detektorschaltung (7,8,9) einen Differentialverstärker (30) enthält, dessen einer Eingang (NI) an eine Bezugsspannung und dessen anderer Eingang (I) an eine dem Motorgesamtstrom proportionale Spannung angeschlossen ist.
5. 5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a durch gekennzeichnet, daß die Anordnung Motorstromerhöhung ein Spannungswahlschalter (13) ist»

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