DE2339260C2 - Kollektorloser Gleichstrommotor - Google Patents
Kollektorloser GleichstrommotorInfo
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- H02K29/00—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices
- H02K29/06—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with position sensing devices
- H02K29/12—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with position sensing devices using detecting coils using the machine windings as detecting coil
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Description
— in dem als Steuerwicklung (13; 96,97; 123) ausgebildeten
aktiven Rotorstellungsgeber eine, gegenüber der in der Antriebs-Statorwicklung
induzierten, um ungefähr 90° phasenverschobene Spannung induziert wird,
— diese Spannung einem Integrierglied (44; 85,86;
144; 170) zugeführt wird, welches seinerseits mit
dem Halbleiterelement (40,41; 143; 189) zusammenwirkt und
— beim Einschaltvorgang eine Statorwicklung über das Integrierglied (44; 85,86; 144; 170) mit
Strom angesteuert wird.
2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Steuerwicklung (13; 96, 97; 123)
induzierte Spannung um 70 bis 110° gegenüber der in der Antriebs-Statorwicklung induzierten Spannung
phasenverschoben ist.
3. Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erzeugen einer
definierten Startstellung des Rotors mindestens einen am Stator (10) angeordneten, mit dem Rotor (31;
101) zusammenwirkenden Dauermagneten (30; 126, 127) aufweisen.
4. Motor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zum mindestens einen Dauermagneten
(126, 127) auch noch mindestens ein Weicheisenteil (133,133') am Stator vorgesehen ist.
5. Motor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Dauermagnet
(30; 126, 127) um η χ 180° el. relativ zu einer
Antriebs-Statorwicklung versetzt ist, wobei η = 0,1, 2... ist.
6. Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Wirkung des Dauermagneten
(30; 126, 127) unterstützte Antriebs-Statorwicklung eine verringerte An^rewindungszahl aufweist.
7. Motor nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der am Stator (110) vorgesehene
mindestens eine Dauermagnet (126, 127) anstelle einer Statorwicklung vorgesehen ist
(Fig. 1 I).
8. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines
Startimpulses bei einem Motor mit aktivem Integrator (!44) Schaltmittel (147, 151) vorgesehen sind,
welche diesem Integrator beim Einschalten des Motors einen Impuls zuführen (Fi g. 11).
9. Motor nach Anspruch 8. dadurch gekennzeichnet, daß bei einem als Miller-Integrator ausgebildeten
aktiven Integrator (144) ein Widerstand (151) vorgesehen ist, über den beim Einschalten des Motors
dem Kondensator (146) des Miller-Integrators ein Ladestrom zuführbar ist (F i g. 11).
10. Motor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem zwischen Kollektor und Basis eines
Transistors (145) angeordneten Kondensator (146) des Miller-Integrators (144) ein Widerstand (147)
parallel geschaltet ist (F i g. 11).
11. Motor nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß dem aktiven Integrator (144) ein Kondensator (166) als Energiespeicher
zugeordnet ist, welcher über eine Diode (164) aus dem Gleichstromnetz (42,43) dies Motors aufladbar
ist und der nach dem Abschalten des Motors während dessen Auslautzeit eine für den Betrieb des
Integrators (144) erforderliche Spannung aufrecht erhält.
12. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Startimpulses bei einem Motor mit passivem Integrator
(44; 170) ein Kondensator (58; 178) vorgesehen ist, welcher beim Einschalten des Motors mit einem Ladekieis
verbindbar ist und dessen Ladestrom einen Einschaltimpuls für eine Stromzufuhr zu mindestens
einer Antriebs-Statorwicklung (12; 142) bewirkt.
13. Motor nach Anspruch 112, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ausgangsspannung des passiven Integrators (44; 170) einem Verstärkungsglied (54,
57; 173) zuführbar ist.
14. Motor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsglied als Operationsverstärker
(173) ausgebildet ist (F i g. 12).
15. Motor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsglied als Differenzverstärker
(54,57) ausgebildet ist, dessen beiden Eingängen die Ausgangsspannung des passiven Integrators
(44) gegenphasig zuführbar ist und an dessen beide Ausgänge, gegebenenfalls über Verstärker, je
eine Antriebs-Statorwicklung (11, 12; 115, 116) angeschlossen ist.
16. Motor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Antriebs-Statorwicklungen
(11, 12; 115, 116) um (180° + π χ 360°) elektrisch
gegeneinander versetzt sind, wobei η = 0,1,2... ist.
17. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine bei eingeschaltetem,
nicht laufendem Motor wirksame Anlaßwiederholschaltung (80, 82, 83) vorgesehen ist
(F i g. 5), die einen Kondensator (82) mit einem Ladekreis (80,70,72) aufweist, welch letzterer an eine von
der Drehzahl des Motors abhängige Spannung angeschlossen ist, wobei die Ladespannung dieses
Kondensators (82) die Anlaßwiederholung steuert (F ig. 5).
18. Motor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,
daß an den Kondensator (82) ein spannungsabhängiger, vorzugsweise eine Strom-Mitkopplung
aufweisender Entladekreis angeschlossen
131, W V, IV, 1IV* 1 LS\~11II UVIlVllUn V, I UVII Vinvii nui !.bit, ui.i
Anlaufbefehl wirksamen Stromimpuls in einer Antriebs-Statorwicklung (12) bewirkt.
Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen Gleich-
strommotor der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1
angegebenen Art
Kollclctorlosc Gleichstrommotoren benötigen zur Kommutierung des in den Wicklungen fließenden Stromes
Fühlelemente, welche der Kommutierungseinrichtung die Stellung des Läufers melden, damit der Strom
jeweils in der richtigen Wicklung fließt und ein Drehmoment
in der gewünschten Richtung erzeugt wird. Als Fühlelemente eignen sich insbesondere berührungslose
Einrichtungen wie Hallgeneratoren, Magnetdioden usw, die p: aktisch keinem Verschleiß unterworfen sind
und dadurch eine sehr große Lebensdauer solcher Motoren bei gutem Wirkungsgrad ermöglichen.
Das einfachste und oft auch billigste Fühlelement ist eine Wicklung im Stator, in welcher von den Polen des
Rotors eine Wechselspannung induziert wird, welche zur Steuerung der Kommutierung des Ankerstroms dienen
kann. Da es sich dabei im Prinzip um einen sogenannten aktiven Stellungsgeber handelt, der seine Energie
direkt dem Meßobjekt entzieht, versagt dieses Prinzip im Stillstand des Motors, d.h. ein solcher Motor
kann erst dann durch eine in dieser Wicklung induzierte Spannung kommutiert werden, wenn sich der Rotor bereits
dreht.
Es sind verschiedene Anordnungen bekannt geworden, die diese Schwierigkeiten umgehen sollen:
Bei einer Anordnung (US 30 25 443 oder 27 53 501) benutzt man während des Anlaufs einen mechanischen
Hilfs-Kommutator oder ein Kontaktsystem, welches nach erfolgtem Hochlauf außer Betrieb gesetzt wird.
Die Nachteile solcher Anordnungen sind der zusätzliche
Aufwand und die grundsätzlichen Nachteile der mechanischen Kontakte.
Bei einer anderen bekannten Anordnung (US 30 67 370) ist ein besonderer Elektro-Magnet vorgesehen,
mittels dessen der Motor über eine Fliehkraftkupplung angeworfen wird. Auch eine solche Anordnung ist
sehr aufwendig und naturgemäß auch störanfällig.
Bei einer weiteren bekannten Anordnung (US 28 10 843) läßt man den Motor als Synchron-Motor anlaufen,
indem man die Kommutierungsschaltung als selbslschwingenden Oszillator ausbildet. Der in vielen
Fällen schwerwiegende Nachteil dieses Prinzips besteht darin, daß der Motor nur sehr kleine zusätzliche
Schwungmassen in Bewegung setzen kann, da er bei größeren Massen nicht in Tritt fällt, also die Betriebszahl nicht erreicht und somit kein regelmäßiger Lauf
zustandekommt.
Bei Motoren, bei welchen die Startstellung des Rotors durch einen am Stator angeordneten Dauermagneten
definiert ist (US 31 35 842, F i g. 4), ist es auch bekannt, durch einen beim Einschalten bewirkten Stromimpuls in
der beim Anlaufen als erstes einzuschaltenden Wicklung dem Motor einen Startimpuls zu erteilen. Der
Nachteil hierbei ist aber, daß ein solcher Motor nur Lasten mit kleinen Trägheitsmomenten, zum Beispiel
Uhren oder dergleichen, antreiben kann, da Voraussetzung für die Wirksamkeit einer solchen Anordnung ist,
daß der Motor sehr rasch hochläuft. Man kann nämlich die Windungszahl der zur Kommutierung dienenden
Wicklung bei solchen Anordni'^gen nicht 7.11 groß wählen,
da sonst im Betrieb in dieser Wicklung zu hohe Spannungen auftreten würden, welche die zur Steuerung
des Stromes im Motor dienenden Halbleiterelemente zerstören wurden. Bei kleinen Drehzahlen ist
deshalb die induzierte Spannung in dieser Wicklung zu klein für die Kommutierung, und ein solcher Motor
kann deshalb nur hochlaufen, wenn er diese niedrigen Drehzahlbereiche sozusagen im ersten Anlauf überwindet.
Hierzu ist aber Voraussetzung, daß die zu beschleunigenden Massen sehr gering sind.
Die Eingangs erwähnten Motoren mit Kommutierung
durch Halbleiterelemente haben zwar diese Nachteile nicht, das heißt bei ihnen wird schon vom Stillstand
ab ein Drehmoment erzeugt so daß diese Motoren selbst und auch in der richtigen Richtung anlaufen. Die
bekannten, hierfür verwendbaren Haibleitereleroente
arbeiten aber nur bei relativ niedrigen Temperaturen. So ist zum Beispiel bei den bekannten Hallgeneratoren
aus Galliumarsenid die Betriebstemperatur auf 65° C begrenzt was in vielen Fällen nicht ausreicht Zum Beispiel
können im Inneren eines Kraftfahrzeugs im Sommer Temperaturen von über 9O0C auftreten, und desha'b
müssen alle Teile, die für die Verwendung in Kraftfahrzeugen bestimmt sind, bei Temperaturen in diesem
Bereich noch sicher funktionieren. Mit Hallgeneratoren ist diese Forderung aber nicht erfüllbar. Dasselbe gilt
für Lüfter, welche beispielsweise zur Kühlung von Datenverarbeitungsanlagen verwendet werden. Auch hier
wird verlangt, daß diese Lüfter bei einer Umgebungstemperatur von 85° C sicher laufen. Da sich die Lüfter im
Betrieb durch die elektrischen Verluste über die Umgebungstemperatur hinaus erwärmen, bedeutet dies, daß
sie bei Temperaturen im Bereich von 110—120°C noch
sicher funktionieren müssen. Motoren mit Kommutierung durch eine in einer Statorwicklung induzierte
Spannung können diese Forderungen an die Temperaturfestigkeit ohne weiteres erfüllen, haben aber die eingangs
erwähnten Nachteile.
Man hat deshalb auch schon die Kombination beider Prinzipien vorgeschlagen, also Anlauf mit Hallgenerator
und Betrieb mittels induzierter Spannung, vgl. die DE-OS 20 63 351. Sieht man einmal davon ab, daß solche
Motoren für die meisten Anwendungsfälle zu teuer werden, so erkennt man jedenfalls ohne weiteres, daß
ein solcher Motor, wenn er im Betrieb einmal Temperaturen über 650C erreicht hat, nach einer Abschaltung
nicht mehr selbst anlaufen kann, bevor er sich genügend abgekühlt hat. Ein solches Betriebsverhalten eines Motors
ist aber in den meisten Fällen nicht zulässig.
Schließlich ist aus der, dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zugrunde liegenden FR 15 31 531 ein kollektorloser
Gleichstrommotor bekannt, der einen gehäusefesten Dauermagneten zum Erzeugen einer Startstellung
aufweist. Darüber hinaus ist eine spezielle Anlaufwicklung vorgesehen, die beim Einschalten des Motorstromkreises
durch kurzfristiges Schließen eines ihr zugeordneten Schalters einen Stromimpuls über einen
Kondensator erhält und dadurch den Motoranlauf bewirkt. Die hier getroffene Maßnahme zur Sicherstellung
des Anlaufs ist jedoch recht aufwendig. Außerdem erzeugt der hier vorgesehene Dauermagnet bei laufendem
Motor ein störendes Wechselmoment.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben erläuterten Nachteile zu vermeiden und auf einfache
Weise ohne besondere Zusatzeinrichtungen einen gattungsgemäßen Motor erhöhter Anlaufsicherheit zu
schaffen, dessen Kommutiereinrichtung auch eine größere Temperaturunabhängigkeit ermöglicht und damit
eine bessere Ausnutzung der Temperaturfestigkeit moderner Isolierwerkstoffe gestattet. Ferner soll ein solche·
kollektorloser Gleichstrommotor auch einen Anlauf mit relativ großen anzutreibenden tragen Massen
ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen
Merkmale gelöst.
Die vorliegende Erfindung geht dabei von folgender Überlegung aus:
Für die Steuerung der Kommutierung ist bekanntlich die Kenntnis der momentanen Stellung der Läuferpole
relativ zum Stator, das heißt, die Kenntnis der Richtung der magnetischen Erreger-Induktion erforderlich. Die
oben geschilderte Schwierigkeit beim Anlauf eines Motors dieser Art (mit Kommutierung durch eine in einer
Statorwicklung induzierte Spannung) entsteht durch die Tatsache, daß die in einer Ankerwicklung induzierte
Spannung nicht dem Erregerfluß Φ, sondern dessen zeitlicher Änderung proportional ist, also dessen Ableitung
nach der Zeit entspricht
15 Uind ■
Diese prinzipbedingte Differentiation läßt sich nach der vorliegenden Erfindung durch eine anschließende Integration,
die zweckmäßig auf elektronischem Wege erfolgt, wieder rückgängig machen, denn es gilt
dt + C = k
,dt + C.
25
Gibt man einem solchen Motor beim Anlauf eine beliebige Integrationskonstante C^O vor, so bedeutet
dies elektrisch, daß beim Einschalten ein Strom in mindestens einer Antriebswicklung fließt und den Motor in
Bewegung versetzt. Schon sehr geringe Drehzahlen genügen dann bei geeigneter Auslegung, um ein Signal am
Ausgang des Integrierglieds zu erzeugen, welches Signal dem Fluß Φ proportional ist, also die Richtung der
magnetischen Erreger-Induktion angibt. War die Anfangsbedingung der beim Start vorhandenen Rotorstellung
nicht angemessen, so kann dies bedeuten, daß der Motor zunächst in der falschen Richtung anzulaufen
versucht. Hierdurch wird aber sofort das Integrierglied wirksam, dessen Ausgangssignal unabhängig von der
Drehrichtung Richtung und Größe des Erregerflusses Φ angibt, so daß dann das Integrierglied praktisch genau
so wirkt wie zum Beispiel ein Hallgenerator, das heißt, der Motor wird sofort umgesteuert und läuft in der
richtigen Drehrichtung hoch. Da das Ausgangssignal des Integriergliedes dem Erregerfluß Φ proportional ist,
ist seine Amplitude praktisch unabhängig von der Drehzahl, so daß sich eine solche Anordnung gleichermaßen
für hohe und für niedrige Drehzahlen eignet. Da das inicgrierglied .Speichereigenschaften hat, kann es selbst vt
einen in falscher Richtung iingela'ifencn Motor in die
richtige Richtung umsteuern.
Besonders vorteilhaft ist es naturgemäß, beim Anlaufen
sogleich die richtige Integralionskonsiantc für diejenige Rotorstellung vorzugeben, in der sich der Rotor
gerade befindet. Dies bedeutet praktisch, daß beim Einschalten eine oder mehrere dieser Rotorstcllung adäquate
Wicklungen Strom zugeführt erhalten, wodurch der Motor immer in der richtigen Richtung startet Dies
kann man zweckmäßig dadurch erreichen, daß der Motor in an sich bekannter Weise Mittel zum Erzeugen
einer definierten Startstellung seines Rotors relativ zum Stator aufweist, wozu zweckmäßig in an sich bekannter
Weise am Stator ein mit dem Rotor zusammenwirkender Permanentmagnet vorgesehen wird.
In besonders vorteilhafter Weise geht man hierbei so vor, daß am Stator Weicheisenteile und mindestens ein
Permanentmagnet vorgesehen sind, welche zusammen die Startstellung des Rotors definieren und daß der mindestens
eine am Stator vorgesehene Permanentmagnet um π · 180°C elektrisch relativ zu einer zugeordneten
Antriebsstatorwicklung versetzt ist, wobei η = 0, 1,2, ... etc. ist. Dabei wird der magnetische Widerstand des
Eisenkreises über dem Drehweg zweckmäßig in der Weise variabel gemacht, daß an bestimmten Bereichen
der Rotorumdrehung ein antreibendes Moment vorgegebener Größe zur Verfügung steht.
Nach einem weiteren, sehr vorteilhaften Merkmal der Erfindung geht man hierzu ferner so vor, daß die durch
die Wirkung des Permanentmagneten unterstützte Statorwicklung eine verringerte Amperewindungszahl aufweist
und im Betrieb vorzugsweise ein Drehmoment erzeugt, welches ständig kleiner ist als das vom Motor
abzugebende Moment. Man erhält auf diese Weise sowohl die gewünschte Startstellung wie auch einen günstigen
Verlauf des vom Motor abgegebenen Moments. Eine besonders einfache und preiswerte Lösung ergibt
sich ferner dadurch, daß der am Stator vorgesehene Permanentmagnet anstelle einer Statorwicklung vorgesehen
ist
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispielen. Es zeigt
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen kollektorlosen Gleichstrommotors, der
bei diesem Ausführungsbeispiel als Motor mit flachem Luftspalt ausgebildet ist, gesehen längs der Linie I-l der
F i g. 2, zusammen mit der zugehörigen Schaltung,
Fig.2 einen Schnitt durch den Motor nach Fig. 1,
gesehen längs der Linie H-II der Fig. 1,
Fig. 3 einen Schnitt, gesehen längs der Linie 11 I-l 11
der F ig. 1,
F i g. 4 Schaubilder zum Erläutern der Wirkungsweise des in den F i g. 1 —3 dargestellten Motors,
Fig.5 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Schaltung, bei welcher nur die Wicklungen des zugehörigen Motors dargestellt sind,
Fig.6 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
kollektorlosen Gleichstrommotors,
F i g. 7 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen kollektorlosen Gleichstrom-Motor nach einem vierten
Ausführunesbeispiel der Erfindung, gesehen längs der Linie VII-VII der>ig. 8,
Fig.8 einen Schnitt, gesehen längs der Linie VIIl-VIII
der Fig. 7,
F i g. 9A eine Abwicklung des Motors nach den F i g. 7. und 8, bei welcher die Abmessungen des Luftspaltes zur
besseren Vcranschatilichiing in stark vergrößertem
Maßstab dargestellt sind,
Fig.9B den Verlauf der Induktion über dem in
F i g. 9A dargestellten abgewickelten Roiormagnetcn,
Ι·' ί g. 10 Schuubildcr /.um Erläutern der Wirkungsweise
des Motors nach den F i g. 7—9,
Fig. 11 ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßcn
kolleklorlosen Gleichstrom-Motors mil nur einer Antriebswicklung,
Fig. 12 eine Alternative zu der in Fig. 11 gezeigten
Schaltung, ebenfalls zum Betrieb mit einen Motor, der nur eine einzige Antriebswicklung aufweist,
Fig. 13 Schaubilder zum Erläutern der Wirkungsweise
des Motors nach F i g. 11 oder 12.
Fig.1 zeigt eine Draufsicht auf eine Platte 10 aus isolierendem Werkstoff, welche Ausnehmungen aufweist,
in denen drei eisenlose Flachwicklungen 11, 12 und 13 befestigt sind, von denen sich die beiden zum
Antrieb dienenden Wicklungen 11 und 12 diametral ge-
gcnüberliegen, während die dritte Wicklung 13, die zur Steuerung der Kommutierung dient, gegenüber der
Wicklung 12 um 45° mechanisch & 90° elektrisch versetzt
ist. (Der permanentmagnetische Scheibenrotor dieses Motors weist, wie Buchstaben N und 5 angedeutet,
vier Pole auf.)
Wie dargestellt, hat die Platte 10, welche auch die elektronischen Schaltelemente des Motors tragen kann,
zum Beispiel in Form einer gedruckten Schaltung, vier Befestigungslöcher 14 und eine mittlere Ausnehmung
15, durch welche eine Welle 16 ragt, die an ihrem unteren Ende (bezogen auf F i g. 2), in (nicht dargestellten)
Lagern gelagert ist. Wie F i g. 2 zeigt, sind auf der Welle
16, durch eine Distanzhülse 17 in einem genau vorgegebenen Abstand voneinander gehalten, zwei Weicheisenscheiben
18 und 19 befestigt, auf denen je ein axiai poiarisierter, als Ring ausgebildeter Dauermagnet 22 bzw.
23, zum Beispiel durch Kleben, so befestigt ist, daß zwischen diesen Magnetringen ein Luftspalt 26 gebildet
wird, in dem die Statorplatte 10 angeordnet ist.
Die Lage der Pollücken 24 des Ringmagnets 22, welche zur Lage der Pollücken des Ringmagnets 23 genau
spiegelbildlich ist, ist in F i g. 1 mit strichpunktierten Linien angedeutet. Die Ringmagnete 22 und 23 sind jeweils
trapezförmig magnetisiert, das heißt, die Induktion hat bei ihnen etwa den in F i g. 9B dargestellten Verlauf,
der natürlich nicht genau trapezförmig ist, aber im Elektromaschinenbau
als trapezförmige Magnetisierung bezeichnet wird. Kennzeichnend hierfür sind relativ
schmale Pollücken und ein breiter Bereich mit relativ konstanter Induktion.
Die Spule 13 ersetzt zusammen mit der ihr zugeordneten Schaltung einen sonst üblicherweise als Kommuticrglied
verwendeten Hallgenerator. Die Lage dieses sonst erforderlichen, hier aber nicht vorhandenen Hallgenerators
ist in F i g. 1 mit strichpunktierten Linien eingezeichnet und mit 25 bezeichnet. Dieser Hallgenerator
25 würde also wie dargestellt um 45° mechanisch zur Mittelachse der Wicklung 12 versetzt sein. Wie man
ferner aus den F i g. 1 und 2 erkennt, liegen die Wicklungen 12 und 13 teilweise übereinander. Bei Schaltungen
mit nur einer Antriebswicklung, wie sie im folgenden noch ausführlich beschrieben werden, kann die Wicklung
13 völlig flach ausgeführt werden, da dort die Wicklung 12 nicht benötigt wird.
In einer Ausnehmung der Statorplatte 10 ist außerdem ein Dauermagnet 30 befestigt, und zwar im Bereich
des Außenumfangs des mit 31 bezeichneten Rotors. Der Magnet 30 ist ebenfalls axial polarisiert und hat, wie in
F i g. 3 dargestellt, oben seinen Süd- und unten seinen Nord-Pol, so daß er den Rotor 31 in dessen in Fig. 1
dargestellte Lage zieht, wenn der Motor stromlos ist Um zu verhindern, daß der Magnet 30 durch die rotierenden
Ringmagnete 22 und 23 dann entmagnetisiert wird, wenn sich gleichnamige Pole gegenüberstehen, haben
die Ringmagnete 22 und 23 und auch der Magnet 30 eine hohe Koerzitiv-Feldstärke, zum Beispiel von größer
als 2000 Oe, und zudem liegt ein Teil des Magnets 30 außerhalb des zwischen den Ringmagneten 22 und 23
gebildeten Luftspalts 26. Wie dargestellt liegt der Magnet 30 etwas näher bei der Wicklung 12 als bei der
Wicklung 11, um dem Rotor 31 eine etwas unsymmetrische Startstellung zu geben, bei der sich der (gedachte)
Hallgenerator 25 wie dargestellt bereits außerhalb des Bereichs einer Pollücke 24 befinden würde. Eine solche
Startstellung ist für den Anlauf günstig.
Zur Steuerung des Stroms in den beiden Antriebswicklungen 11 und 12 ist jeweils ein Transistor 40 bzw.
41 vorgesehen, dessen Aufbau (sogenannte npn-Darlington-Schaltung) aus F i g. 1 hervorgeht. Die Emitter
der Transistoren 40 und 41 sind mit dem Minus-Pol 42 einer Gleichspannungsquelle von zum Beispiel 12 V
verbunden, deren Plus-Pol mit 43 bezeichnet ist. Der eine Anschluß der Wicklungen 11 und 12 ist jeweils mit
dem Kollektor des zugeordneten Transistors 40 bzw. 41 verbunden, der andere mit der Plus-Leitung 43. Der
Wicklungssinn und die Stromrichtung für die Wicklungen 11 und 12 sind in F i g. 1 eingezeichnet.
Die Wicklung 13, die zur Steuerung der Kommutierung des Stromes in den Wicklungen 11 und 12 dient, ist
an ein passives Integrierglied 44 angeschlossen, das einen Widerstand 45 (z. B. 20 kOhm) und einen Kondensator
46 (z. B. 50 Mikrofarad) aufweist. Der Anschluß 47 der Wicklung 13 ist wie dargestellt in Reihe mit dem
Widerstand 45, dem Kondensator 46 und dem anderen Wicklungsanschluß 48 geschaltet, so daß im Betrieb die
in der Wicklung 13 induzierte Spannung durch das Integrierglied 44 integriert wird und am Kondensator 46
eine entsprechende Wechselspannung entsteht, deren Amplitude zum Beispiel 50 mV betragen kann. Die
Wicklung 13 kann zum Beispiel so ausgelegt werden, daß die in ihr direkt nach dem Anlaufvorgang induzierte
Spannung etwa die Amplitude von 1 V hat. — Der Anschluß 48 ist über eine Zener-Diode 49 mit der Plus-Leitung
43, über einen Widerstand 53 mit der Basis eines pnp-Transistors 54 und über einen Widerstand 55 mit
der Minusleitung 42 verbunden.
Der mit 56 bezeichnete Verbindungspunkt zwischen Widerstand 45 und Kondensator 46 ist mit der Basis
eines pnp-Transistors 57 und — über einen Kondensator 58 — mit der Minusleitung 42 verbunden. Die Transistoren
54 und 57 bilden zusammen einen Differenzverstärker, das heißt, wenn der Strom in einem Transistor
zunimmt, nimmt der Strom im anderen Transistor ab und umgekehrt. Hierzu sind die Emitter dieser Transistoren
über je einen Widerstand 61 bzw. 62 mit einem Knotenpunkt 63 verbunden, welcher seinerseits über
einen Widerstand 64 an die Plusleitung 43 geführt ist. Der Kollektor des Transistors 54 ist über einen Widerstand
65, einen mit der Basis des Transistors 40 verbundenen Knotenpunkt 66 und einen Widerstand 67 mit der
Minusleitung 42 verbunden. Analog ist der Kollektor des Transistors 57 über einen Widerstand 7G, einen mit
der Basis des Transistors 41 verbundenen Knotenpunkt 71 und einen Widerstand 72 mit der Minusleitung 42
verbunden.
Der beschriebene Motor arbeitet wie folgt:
Vor dem Einschalten befindet sich der Rotor 31 durch die Wirkung des Magnets 30 in der in F i g. 1 dargestellten Ruhelage. Wird nun eine Betriebsgleichspannung zwischen die Leitungen 43 und 42 angelegt, so fließt über die Zener-Diode 49 ein Ladestrom zu den zunächst ungeladenen Kondensatoren 46 und 58. (Die Zener-Diode 49 bewirkt zusammen mit dem Widerstand 55, daß der gemeinsame Emitter-Strom des Differenz-Verstärkers 54, 57 durch den gemeinsamen Widerstand 64 praktisch konstant ist.)
Vor dem Einschalten befindet sich der Rotor 31 durch die Wirkung des Magnets 30 in der in F i g. 1 dargestellten Ruhelage. Wird nun eine Betriebsgleichspannung zwischen die Leitungen 43 und 42 angelegt, so fließt über die Zener-Diode 49 ein Ladestrom zu den zunächst ungeladenen Kondensatoren 46 und 58. (Die Zener-Diode 49 bewirkt zusammen mit dem Widerstand 55, daß der gemeinsame Emitter-Strom des Differenz-Verstärkers 54, 57 durch den gemeinsamen Widerstand 64 praktisch konstant ist.)
Das Potential des Punktes 56 entspricht also beim Einschalten zunächst dem Potential der Minusleitung 42
und wird dann positiver, das heißt, der Transistor 57 wird beim Einschalten zunächst voll leitend und läßt
einen Basis-Strom zum Transistor 41 fließen, so daß auch dieser voll leitend wird und ein Strom zur Wicklung
12 fließt Hierdurch wird der Rotor 31 in Richtung des Pfeiles 73 (Fig. 1) im Uhrzeigersinn in Umdrehung
versetzt.
Durch den Kondensator 58 wird also beim Einschalten ein Strom erzeugt, der der Startstellung des Rotors
31 angepaßt ist und dessen Anlauf in der richtigen Drehrichtung bewirkt. Mathematisch gesehen heißt dies, daß
dem Integrierglied 44 beim Start die richtige Anfangsbedingung für diese Rotorstellung vorgegeben wird.
Die Eigenschaften des Differenz-Verstärkers bewirken,
daß die Transistoren 54 und 40 gesperrt sind, solange
die Transistoren 57 und 41 leiten.
Sobald sich der Rotor 31 dreht, wird in der Wicklung 13 eine Spannung induziert, welche durch die Wahl der
Windungszahl dieser Wicklung genügend hoch ist, um am Kondensator 46 die erforderliche Spannung für die
Aussteuerung des Differenz-Verstärkers 54, 57 zu erzeugen. F i g. 4 zeigt bei a) diese induzierte Spannung 74
für eine niedere Drehzahl /J1 und bei d) die induzierte
Spannung 74' für eine doppelt so hohe Drehzahl /72 = 2x/j|. 74 kann zum Beipiel die induzierte Spannung
direkt nach dem Anlauf sein. (Zur Vereinfachung der Darstellung sind diese Spannungen 74 und 74' als
sinusförmige Spannungen dargestellt, obwohl sie in der Praxis von der Sinusform abweichen können; dies ist
aber für die Erläuterung der Wirkungsweise ohne Bedeutung.)
Die integrierte Spannung 75 bzw. 75' am Kondensator 46 ist in F i g. 4 in der zwei ten Reihe dargestellt. (Ihre
Amplitude ist wesentlich kleiner als die Amplitude der Spannungen 74 und 74', das heißt, die Kurven 75, 75'
haben einen anderen Amplituden-Maßstab.) Die Spannungen 75 und 75' haben trotz der verschiedenen Größen
der induzierten Spannungen 74 und 74' wie dargestellt praktisch dieselbe Amplitude, zum Beispiel jeweils
50 mV. Dies ist eine Folge der Integration; wie eingangs bereits dargelegt, sind die Spannungen 75 und 75' dem
Fluß im Luftspalt 26 proportional, und dieser Fluß ist eine Größe, die nicht von der Drehzahl abhängig ist.
Wie man aus F i g. 4 erkennt, ergibt sich durch die Integration eine um 90° phasenverschobene Lage der
Spannung 75 (bzw. 75') relativ zur Spannung 74 (bzw. 74'). Da aber die Wicklung 13 um 90° elektrisch zur
Wicklung 12 versetzt ist, fallen die Amplituden-Maxima der Spannung 75 (bzw. 75') mit den Maxima der Spannungen
zusammen, die vom Rotor 31 in der Wicklung 12 (oder 11) induziert werden. Dies ist sehr wichtig für die
richtige Kommutierung der Ströme in den Wicklungen 11 und 12, da die Strom-Maxima mit den Maxima der in
diesen Wicklungen induzierten Spannungen zeitlich übereinstimmen sollen.
Die Spannung 75 (bzw. 751') am Kondensator 46 bewirkt
also, daß nach dem Anlauf die Transistoren 54 und 57 abwechselnd eingeschaltet werden, so daß, wie in
F i g. 4 bei c) bzw. f) dargestellt, die Ströme iw (im Transistor
40 und der Wicklung 11) und /^1 (im Transistor 41
und der Wicklung 12) jeweils im richtigen Zeitpunkt kommutiert werden. Im Betrieb verhält sich also eine
solche Anordnung wie der (gedachte) äquivalente Hallgenerator 25 mit dem wesentlichen Unterschied, daß die
Temperaturfestigkeit (bis ca. 1250C) bei einem erfindungsgemäßen
Motor weitaus besser ist als bei einem Motor mit Hallgenerator, welcher eine maximale Betriebstemperatur
von etwa 65° C erreichen darf. Außerdem ergibt sich bei einem erfindungsgemäßen Motor
ein besserer Wirkungsgrad, da der für den Betrieb des Hallgenerators erforderliche, nicht unbeträchtliche
Gleichstrom in Wegfall kommt. Die Erfindung ermöglicht es also, einen Gleichstrommotor besser auszunutzen.
Das vom Motor nach den F i g. 1 bis 4 erzeugte Antriebsmoment entspricht etwa der Form der Kurven c)
bzw. f) nach F i g. 4, das heißt, dieses Moment weist Lükken auf. Dies ergibt sich durch die Motorkonstruktion.
Wenn der Motor nach den Fig. 1 bis 4 ausgeschaltet wird, benötigt er, je nach angekoppelter Schwungmasse,
eine bestimmte Zeit zum Auslaufen. Wird er während dieses Auslaufzeitraumes erneut eingeschaltet, so ergibt
sich erneut der beschriebene Einschaltvorgang durch Aufladung des Kondensators 58. In diesem Falle ist aber
keine definierte Anlaufstellung vorgegeben, da ja der Einschaltbefehl dann bei jeder beliebigen Winkelstellung
des Motors möglich ist, das heißt, die Anfangsbedingung, die dem Integrierglied 44 in diesem Falle vorgegeben
wird, kann falsch sein, so daß der Rotor 31 beispielsweise durch den Strom in der Wicklung 12 nicht
angetrieben, sondern bis zum Stillstand abgebremst würde und dann stehen bleibt. Bei den meisten Anwendungsfällen
ist aber ein sicherer Anlauf des Motors erforderlich.
Durch die Schaltung gemäß F i g. 5 wird dieser Nachteil auf einfache Weise vermieden, und zwar dadurch,
daß in einem solchen Falle der Einschaltimpuls automatisch solange wiederholt wird, bis der Motor angelaufen
ist. Wird also der Motor beim ersten Einschaltimpuls abgebremst, so kann er zwar kurz in seiner durch den
Dauermagneten 30 vorgegebenen Startstellung stehen bleiben, läuft aber beim nächsten Einschaltimpuls, zum
Beispiel nach ein oder zwei Sekunden, erneut an.
Die Schaltung nach Fig.5 ist weitgehend mit der Schaltung nach F i g. 1 identisch. Auch der dieser Schaltung
zugeordnete Motor kann gleich aufgebaut sein wie der Motor nach F i g. 1 — 3.
Zur Wiederholung des Einschaltbefehls sind hier folgende zusätzliche Schaltelemente vorgesehen:
Vom Kollektor des Transistors 41 führt ein Widerstand
80 über einen Knotenpunkt 81 und einen Kondensator 82 zum Kollektor des Transistors 57. Eine Diode 83 ist
mit ihrer Kathode an die Basis des Transistors 54 und mit ihrer Anode an den Knotenpunkt 81 angeschlossen.
Die Schaltung nach F i g. 5 arbeitet wie folgt:
Beim Einschalten erhält der Kondensator 46, wie bereits beschrieben, über den Kondensator 58 eine Anfangsladung.
Wenn der Motor nicht anläuft, entlädt sich diese Ladung innerhalb relativ kurzer Zeit über den Widerstand
45 und die Wicklung 13, und der Differenz-Ver stärker 54,57 befindet sich dann in seinem elektrischen
Gleichgewicht, bei dem in beiden Transistoren 54 und 57 so wenig Strom fließt, daß weder der Transistor 40
noch der Transistor 41 leiten. Der Kondensator 82 wird dann über die Wicklung 12 und die Widerstände 80, 70,
72 allmählich aufgeladen, bis das Potential des Knotenpunktes 81 positiver wird als das Potential an der Basis
des Transistors 54. Über die Diode 83 fließt dann ein Strom zur Basis des Transistors 54, der dessen Kollektorstrom
vermindert und damit — infolge des durch den Widerstand 64 eingeprägten konstanten Emitterstroms
— den Kollektorstrom des Transistors 57 erhöht
Durch den Spannungsabfall am Widerstand 70 entsteht nun ein zusätzlicher Mitkopplungseffekt, da die
Spannung am Kollektor des Transistors 57 jetzt positiver wird, wodurch auch das Potential am Knotenpunkt
81 positiver wird und der Transistor 54 noch mehr gesperrt wird. Dies setzt sich solange fort, bis der Transistor
41 voll leitend ist, das heißt, es wird genau dieselbe
Wirkung erreicht, die beim ersten Anlauf durch den Kondensator 58 erzielt wurde. Läuft der Motor jetzt an,
so ergibt sich dieselbe Wirkungsweise des Integrierglieds 44, wie sie zuvor im Zusammenhang mit F i g. 4
ausführlich beschrieben wurde.
Kann der Motor auch jetzt nicht anlaufen, zum Beispiel weil sein Rotor 31 blockiert ist, so schaltet sich der
Strom im Transistor 41 von selbst nach kurzer Zeit, zum Beispiel 1/10 Sekunde, wieder ab, da der Kondensator
B2 über die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 54 schnell entladen wird. Der beschriebene Vorgang wiederholt
sich dann nach einem durch die Größe der Komponenten vorgegebenen Zeitintervall, zum Beispiel
nach einigen Sekunden.
Da der Motor auch bei blockiertem Läufer 31 nur kurze Stromimpulse erhält, kann er nicht überhitzt werden.
Dies stellt einen wesentlichen zusätzlichen Vorteil der Schaltung nach F i g. 5 dar. (Auch der Motor nach
F i g. 1 bleibt bei blockiertem Rotor 31 stromlos.)
!m normalen Betrieb ist das Potential des Punktes 81
stets negativer als die Basis des Transistors 54, das heißt, die Diode 83 ist dann dauernd gesperrt; die beschriebene
Vorrichtung ist also nur dann wirksam, wenn der Motor nicht angelaufen ist; bei angelaufenem Motor
schaltet sie sich von selbst ab.
Wie bereits dargelegt, kann man sich die erfindungsgemäße Anordnung praktisch als Ersatz für einen Hallgenerator vorstellen, da sie im Betrieb sehr ähnliche
Eigenschaften hat wie ein solcher, also unter anderem zwei gegenphasige Steuerausgänge, sowie von der Größe
der Induktion, aber nicht von der Drehzahl abhängige Amplituden des Ausgangssignals.
Bei Motoren üblicher Bauart, die meist mit vier sternförmig angeordneten Wicklungen versehen sind, um ein
weitgehend gleichmäßiges elektromagnetisches Antriebsmoment über dem Drehwinkel zu erzeugen, benötigt
man bekanntlich 2 Hallgeneratoren. Diese Hallgeneratoren können gemäß der Anordnung nach F i g. 6
auch durch erfindungsgemäße Anordnungen ersetzt werden, um beispielsweise höhere Betriebstemperaturen
zu ermöglichen. Es werden dann zwei Schaltungen gemäß F i g. 5 benötigt, welche in F i g. 6 mit 85 und 86
bezeichnet sind, denen jeweils entsprechend einer durch einen Dauermagneten 87 vorgegebenen Startstellung
des mit 88 bezeichneten Rotors dieses Motors 89 Anfangsbedingungen Cl und C 2 zugeordnet sind, zum
Beispiel durch entsprechende Wahl des Kondensators 58 gemäß F i g. 5, um so einen Anlauf in der gewünschten
Drehrichtung sicherzustellen.
Der Motor 89 hat vier Antriebswicklungen 92,93,94
und 95, welche jeweils mit einem Anschluß an Plus liegen. Die anderen Anschlüsse der Wicklungen 93 und 95
sind an die Ausgänge der Schaltung 85 angeschlossen und die anderen Anschlüsse der Wicklungen 92 und 94
an die Ausgänge der Schaltung 86. Mit dem Rotor 88 ist ein Steuermagnet 95 gekuppelt, dem 2 Meßwicklungen
96 und 97 zugeordnet sind. Die im Betrieb in der Wicklung 96 induzierte Spannung wird in der Schaltung 85
integriert und die in der Wicklung 97 induzierte Spannung wird in der Schaltung 86 integriert Zum Einschalten
dient ein Schalter 98, der mit dem Minuspol der Gleichspannungsquelle verbindet
Vor dem Einschalten befindet sich infolge des Magnets 87 der Rotor 88 in der gezeigten Startstellung.
Beim Einschalten des Schalters 98 werden die beiden Anfangsbedingungen CX und C2 wirksam und bewirken
einen entsprechenden Stromimpuls, zum Beispiel in den Statorwicklungen 92 (zum Anziehen des Rotormagnets
88) und 95 (zum Abstoßen des Rotormagnets 88). Der Motor läuft dann im Uhrzeigersinn an und die beiden
Integrationsschaltungen, die, wie erläutert, im Aufbau jeweils der Schaltung nach Fig.5 entsprechen,
steuern dann die Kommutierung.
Läuft der Motor nicht an, so wird die Anlaufwiederholung (Teile 80,82,83 gemäß F i g. 5) wirksam. Zweckmäßig
wird das Wiederholungsintervall bei den Integrierschaltungen
85 und 86 verschieden gewählt. Durch die Anlaufwiederholung kann es ersichtlich vorkommen,
daß der Motor zunächst in der falschen Richtung anläuft. Sobald der Motor aber läuft, werden beide Integrierschaltungen
85, 86 voll wirksam und steuern nun
ίο ihrerseits den Motor so, daß er in der richtigen Richtung
läuft, das heißt, ein solcher Motor kommt dann zunächst kurzzeitig wieder zum Stillstand — wobei im Kondensator
46 (F i g. 5) ein der Lage des Rotors entsprechender Spannungswert gespeichert bleibt — und entsprechend
diesem Spannungswert läuft der Rotor dann in der richtigen Richtung an. Auch dies zeigt sehr deutlich die
Analogie zum Hallgenerator, der ja auch die Drehrichtung selbsttätig umsteuert, wenn der Motor zum Beispiel
von Hand in der falschen Richtung angeworfen wird.
Bei einer zeichnerisch nicht dargestellten Variante hierzu wirkt der Rotormagnet 88 direkt auf die Meßwicklungen
96,97, indem diese in geeigneter Weise zum Beispiel direkt in den Stator eingewickelt sind. Der
Steuermagnet 95 erübrigt sich dann.
Eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Motors zeigen die Fig. 7—9. Der dort gezeigte
Motor 100, dessen mechanischer Aufbau nur schematisch angedeutet ist, ist ein Außenläufermotor, dessen
Rotor 101 einen radialemagnetisierten. 2-poligen, massiven
Magnetring aufweist. Zur besseren Veranschaulichung ist auch hier ein — rein hypothetischer, also in
Wirklichkeit nicht vorhandener — äquivalenter Hallgenerator 102 dargestellt. Ferner ist zur besseren Veranschaulichung
der Nordpol — Bereich des Rotors 101 schraffiert und der Südpol-Bereich gepunktet dargestellt.
Wie F i g. 9B zeigt, ist auch hier der Induktionsverlauf über dem Rotor trapezförmig im Sinne der obigen
Ausführungen. Die Pollücken sind mit 103 und 104 bezeichnet. Der Magnetring 101 ist mittels eines ihn umgreifenden
Topfes 105 mit einer Welle 106 verbunden, die in einem schematisch dargestellten Lager 107 gelagert
ist.
Der Stator 110 ist an einem ortsfreien Teil 111 befestigt
und hat Doppel-T-Form, wobei die Enden der ausgeprägten Pole 112, 113 fast aneinander stoßen und
gerade noch genügend Platz zum Einbringen von zwei über eine Mittelanzapfung 114 in Reihe geschalteten
Antriebswicklungen 115, 116 bleibt, deren Anschlüsse mit 117 und 118 bezeichnet sind. Die Wicklungen 115,
116 haben bei dieser Konstruktion zweckmäßig ungleiche Drahtstärken und/oder verschiedene Windungszahlen,
um im Betrieb eine verschiedene Ampere-Windungszahl dieser Wicklungen zu erreichen. Naturgemäß
kann derselbe Effekt auch dadurch erreicht werden, daß man gleiche Windungszahlen, aber verschieden große
Ströme verwendet Die Wicklung 116 kann zum Beispiel eine kleinere Windungszahl aufweisen. Die Nuten für
die Wicklungen 115,116 sind mit 119 und 120 bezeichnet
Um 90° elektrisch (und mechanisch) zu den Wicklungen 115 und 116 versetzt ist in zwei Nuten 121,122 des
Stators 110 eine Wicklung 123 untergebracht, die das
Ausgangssignal für das Integrierglied liefert, zum Beispiel für das Integrierglied 44 nach F i g. 5. Ihre Ausgänge
sind mit 124 bezeichnet. Die bei diesem Motor durch die Luftspaltform vorgegebene Drehrichtung ist durch
einen Pfeil 125 angedeutet.
In der Mitte der Pole 112, 113 ist jeweils ein radial polarisierter Dauermagnet 126 bzw. 127 angebracht
Beide Magnete 126 und 127 haben oben ihren Süd- und unten ihren Nordpol (bezogen auf F i g. 7). Die Magnete
können sich jeweils, wie dargestellt, über einen Winkel
von ca. 90° elektrisch erstrecken. Sie werden zweckmäßig
nach Einbringen der Wicklung 123 in entsprechende Vertiefungen des Stators eingeklebt
Um den magnetischen Widerstand des mit 130 bezeichneten Luftspalts drehwinkel&bhängig zu machen
und dadurch ein Reluktanzmoment ganz bestimmter Form zu erzeugen, wie das im folgenden anhand von
Fig. 10 erläutert wird, hat der Außenumfang der Pole
112, 113 eine ganz bestimmte Form, die am besten aus
der Abwicklung gemäß F i g. 9A hervorgeht Demnach nimmt der tatsächliche, also mittels eines Meßinstruments
meßbare Luftspalt 130 ausgehend von den Nuten 119 bzw. 120 in Drehrichtung gesehen über einen relativ
kurzen Winkelweg von zum Beispiel 30° elektrisch bis zu einem Maximum 131 bzw. 131' zu und von dort aus
bis zur nächsten Nut monoton wieder ab.
Da die Nuten 119,120 praktisch eine Vergrößerung
des tatsächlichen Luftspalts darstellen, kann man den äquivalenten, also magnetisch wirksamen Luftspalt
durch die gestrichelten Linien 132 bzw. 132' approximieren. Dieser äquivalente Luftspalt hai also seine Minima
133 bzw. 133' in Drehrichtung gesehen vor der zugeordneten Nut, zum Beispiel 30° elektrisch vor ihr.
Läuft bei der Form der Induktion gemäß F i g. 9B eine Pollücke (z. B. 103) des Rotors 101 in Drehrichtung 125
über ein Gebiet sich verkleinernden Luftspalts, so muß hierzu der Rotor 101 angetrieben werden, das heißt, es
entsteht ein in F i g. 10c mit 134 bezeichnetes bremsendes Reluktanzmoment. Läuft umgekehrt eine solche
Pollücke (z. B. 103) über ein Gebiet sich erweiternden äquivalenten Luftspalts hinweg, so bewirkt dies ein antreibendes
Reluktanzmoment, das in Fig. 10c mit 135 bezeichnet ist Die Form der Momente 134 und 135 ist
ersichtlich von der Form des äquivalenten Luftspalts abhängig und kann deshalb entsprechend den Erfordernissen
gewählt werden.
Die Dauermagnete 126 und 127 bewirken im Betrieb ebenfalls ein Moment, dessen Form in Fig. 10b dargestellt
ist. Wird der Rotor 101 zum Beispiel aus seiner Stellung nach F i g. 7 in Drehrichtung weitergedreht, so
muß er hierzu angetrieben werden. Dieses bremsende Moment ist in Fig. 10b mit 136 bezeichnet. Etwa 180°
elektrisch weiter beginnt dann ein mit 137 bezeichnetes antreibendes Moment.
Addiert man die Momentenkurven nach F i g. 10b und 10c, so erhält man die Kurve nach Fig. 1Od, das heißt,
dies ist der Momentenverlauf, den man zum Beispiel mit der Federwaage mißt, wenn man die auf den Rotor 101
wirkenden Momente bei stromlosem Motor in den verschiedenen Drehstellungen ermittelt. Der Momentenverlauf
gemäß F i g. 1Od hat an zwei Stellen 138 und 139 den Wert Null. Der Punkt 138 entspricht der in den
F i g. 7 und 9A dargestellten stabilen Ruhelage. Der entsprechende Winkel alpha ist in Fig. 7 und in Fig. 1Od
eingetragen. Der Punkt 139 entspricht einer instabilen Rotorstellung, aus der sich der Rotor 101 bei der geringsten
Erschütterung herausdreht. Der Abstand zwischen dem Punkt 139 und dem darauffolgenden stabilen
Punkt 138' ist, wie dargestellt, größer als 180° elektrisch, was für die vorliegende Erfindung insofern von Bedeutung
ist, als man dadurch erreicht, daß die Punkte 138 und 139 beide in den zwei ersten Quadranten (0 bis 180°
elektrisch) liegen, so daß der Motor selbst dann noch in der richtigen Richtung anläuft, wenn er zufällig in der
instabilen Stellung 139 stehengeblieben ist (Dasselbe gilt für die Kurve 159 nach F i g. 13d und deren Punkte
160 und 161).
Entsprechend der unsymmetrischen Form des in Fig. 1Od dargestellten, sozusagen in den Motor eingebauten
Moments muß auch das von den beiden Antriebswicklungen 115,116 erzeugte elektromagnetische
Antriebsmoment unterschiedlich groß sein.
ίο Physikalisch kann man dies sich so erklären, daß die
Wirkung der Wicklung 116 durch die Dauermagnete 126 und 127 unterstützt wird, während diese Dauermagnete
dem durch die Wicklung 115 erzeugten elektromagnetischen Antriebsmoment entgegen wirken, oder
anders gesagt: der Motor speichert einen Teil der vom Strom in der Wicklung 115 in den Motor hineingepumpten
Energie und gibt diese Energie in den Lücken des elektromagnetischen Antriebsmoments, die in Fig. 10a
mit 141 und 142 bezeichnet sind, sowie während der Dauer des schwächeren elektromagnetischen Antriebsmoments wieder ab. Das von der Wicklung 115 erzeugte
Antriebsmoment ist in Fig. 10a mit Mus, das von der
Wicklung 116 erzeugte Moment mit Λίπβ bezeichnet
Addiert man die Kurven nach F i g. 10a und F i g. 1 Od, so erhält man der in F i g. 1Oe dargestellten, lückenfreien Momentenverlauf, mit dem ein solcher Motor seine Last antreibt Das in Fig. 1Oe dargestellte Gesamtmoment Mgcs hat einen weitgehend konstanten Verlauf.
Beim Motor nach F i g. 7 wird also im Betrieb die Wicklung 115 an den Transistor 41 nach Fig.5, die Wicklung 116 an den Transistor 40 und die Wicklung 123 an das Integrierglied 44 angeschlossen. Beim Einschalten erhält dann zuerst die Wicklung 115 Strom (durch den die Anfangsladung festlegenden Kondensator 58), so daß der Motor in Richtung des Pfeiles 125 aus seiner in F i g. 7 dargestellten Startstellung anläuft, wonach dann das Integrierglied 44 wirksam wird, sobald in der Wicklung 123 eine genügend große Spannung induziert wird. Das Integrierglied hat dann praktisch dieselbe Wirkung wie der in den F i g. 7 und 9A dargestellte äquivalente Hallgenerator 102.
Addiert man die Kurven nach F i g. 10a und F i g. 1 Od, so erhält man der in F i g. 1Oe dargestellten, lückenfreien Momentenverlauf, mit dem ein solcher Motor seine Last antreibt Das in Fig. 1Oe dargestellte Gesamtmoment Mgcs hat einen weitgehend konstanten Verlauf.
Beim Motor nach F i g. 7 wird also im Betrieb die Wicklung 115 an den Transistor 41 nach Fig.5, die Wicklung 116 an den Transistor 40 und die Wicklung 123 an das Integrierglied 44 angeschlossen. Beim Einschalten erhält dann zuerst die Wicklung 115 Strom (durch den die Anfangsladung festlegenden Kondensator 58), so daß der Motor in Richtung des Pfeiles 125 aus seiner in F i g. 7 dargestellten Startstellung anläuft, wonach dann das Integrierglied 44 wirksam wird, sobald in der Wicklung 123 eine genügend große Spannung induziert wird. Das Integrierglied hat dann praktisch dieselbe Wirkung wie der in den F i g. 7 und 9A dargestellte äquivalente Hallgenerator 102.
Gegenüber dem in F i g. 1 dargestellten Motoraufbau hat die Konstruktion nach F i g. 7 — gleichgültig auf
welche Art die Kommutierung erfolgt — den wesentlichen Vorteil, daß die Magnete 126 und 127 zwar die
richtige Startstellung herbeiführen, aber im Betrieb zwar ein bremsendes, aber kein den Gesamtverlauf störendes
Moment erzeugen. Bei der Ausführungsform nach F i g. 1 dagegen bewirkt der Magnet 30 ein Moment,
das sich dem von den Wicklungen 11 und 12 erzeugten
Moment als störendes Wechselmoment überlagert, und dies zwingt praktisch dazu, diesen Magnet 30
möglichst schwach zu machen. Bei der Ausführungsform nach F i g. 7 dagegen kernen die Magnete 126 und
127 immer genügend stark gewählt werden, damit sie den Rotor 101 in die gewünschte Startstellung hineinziehen.
Der Motor nach den Fig.7—10 kann noch weiter
vereinfacht werden, und man kommt dann zu der Konstruktion nach Fig. 11, die nur noch eine einzige Antriebswicklung
benötigt. (Eine zur Konstruktion nach F i g. 11 analoge Konstruktion eines Flach-Motors ist in
der DE-OS 22 60 069 beschrieben, auf die zur Vermeidung übermäßiger Längen ausdrücklich verwiesen
wird.)
Der mechanische Aufbau des Motors nach F i g. 11
entspricht demjenigen des Motors nach den F i g. 7 bis 10. Die einzige Antriebswicklung des Motors nach
F i g. 11 ist mit 142 bezeichnet Ihr einer Anschluß ist an
die Plus-Leitung 43 angeschlossen, ihr anderer Anschluß an den Kollektor eines npn-Transistors 143, dessen
Emitter mit der Minus-Leitung 42 verbunden ist Das Integrieglied, an das die Wicklung 123 angeschlossen ist
ist hier ein aktives Integneglied in Form eines sogenannten
Miller-Integrators 144 mit einem npn-Transistor 145, zwischen dessen Kollektor und Basis ein Integrierkondensator
146 von zum Beispiel 3 Mikrofarad und ein zu diesem paralleler Widerstand 147 geschaltet
sind. Die Basis des Transistors 145 ist über einen Widerstand
148 mit dem einen Anschluß der Wicklung 123 verbunden, deren anderer Anschluß an die Minus-Leitung
42 angeschlossen ist
Vom Kollektor des Transistors 145 führt ein Widerstand 151 zur Plus-Leitung 43 und ein Widerstand 152
zur Basis eines pnp-Transistors 153, dessen Emitter mit der Plus-Leitung 43 und dessen Kollektor über einen
Widerstand 154, einen mit der Basis des Transistors 143
verbundenen Knotenpunkt 155 und einen Widerstand 156 mit der Minus-Leitung 42 verbunden ist
Beim Motor nach F i g. 11 sind die am Stator 110 vorgesehenen
Dauermagnete 126 und 127 stärker gewählt als beim Motor nach F i g. 7, so daß das von ihnen im
Betrieb erzeugte Moment 157 (Fig. 13b) eine größere
Amplitude hat Das in Fig. 13c dargestellte Reluktanzmoment 158 hat dagegen etwa dieselbe Form wie das in
F i g. 1 Oc dargestellte Moment. (Die Magnetisierung des Rotors 101 in F i g.! 1 hat ebenfalls den in F i g. 9B dargestellten
Verlauf.) — Entsprechend ergibt sich eine andere Form des in Fig. 13d dargestellten Summenmoments
159 aus den Momenten 157 und 158. Das Moment 159 hat einen stabilen Punkt 160 entsprechend der Rotorstellung
nach F i g. 11 und einen instabilen Punkt 161,
welche beide innerhalb der beiden ersten Quadranten, also innerhalb des Winkelbereichs von 0—180° elektrisch
liegen, wodurch sich der oben bei F i g. 10 bereits erläuterte Vorteil ergibt, daß der Motor auch dann in
der richtigen Drehrichtung anläuft, wenn er zufällig in seiner instabilen Stellung 161 stehengeblieben ist.
Das von der Wicklung 142 im Betrieb erzeugte, elektromagnetische
Antriebsmoment ist in Fig. 13a dargestellt
und mit 162 bezeichnet Da es während weniger als 180° elektrisch wirksam ist, müssen seine mit 265 bezeichneten
Lücken durch das Moment 159 (Fig. 13d) überbrückt werden, und durch Addition der Momente
162 und 159 erhält man das in Fig. 13e dargestellte lückenfreie Gesamtmoment Mgcs, das einen weitgehend
gleichförmigen Verlauf hat.
Der Motor nach F i g. 11 arbeitet wie folgt:
Bei ausgeschaltetem Motor befindet sich der Rotor 101 in der stabilen Stellung 160 gemäß Fig. 13d, welche auch in F i g. 11 dargestellt ist. Wird jetzt eine Spannung an die Leitungen 42 und 43 gelegt, so ist der Kondensator 146 des Integrierglieds 144 zunächst ungeladen, so daß der Transistor 145 sofort leitend wird und seinerseits die Transistoren 153 und 143 leitend steuert, so daß ein Strom durch die Wicklung 142 fließt und der Rotor 101 in Richtung des Pfeiles 125 angetrieben wird.
Bei ausgeschaltetem Motor befindet sich der Rotor 101 in der stabilen Stellung 160 gemäß Fig. 13d, welche auch in F i g. 11 dargestellt ist. Wird jetzt eine Spannung an die Leitungen 42 und 43 gelegt, so ist der Kondensator 146 des Integrierglieds 144 zunächst ungeladen, so daß der Transistor 145 sofort leitend wird und seinerseits die Transistoren 153 und 143 leitend steuert, so daß ein Strom durch die Wicklung 142 fließt und der Rotor 101 in Richtung des Pfeiles 125 angetrieben wird.
Sobald sich der Rotor 101 dreht, induziert er in der μ,·« Qn0 elektrisch versetzten Wickiup** i?3 pin*» Snepnung,
die im Integrierglied 144 integriert wird und die dann den Strom in der Wicklung 142 so steuert, daß sich
die Momentenform 162 gemäß F i g. 13a ergibt. Falls der
Integrator 144 ein idealer Integrator wäre, könnte der Motor gemäß Fig. 11 dauernd mit beliebig kleinen
Drehzahlen arbeiten und damit beliebige Schwungmassen beschleunigen. Die Praxis hat gezeigt, daß auch die
in F i g. 11 dargestellte, sehr einfache Integrierschaltung
schon ausreicht um ziemlich große Schwungmassen zuverlässig zu beschleunigen, zum Beispiel Schwungmassen,
die bis zum 30fachen des Trägheitsmoments des Rotors 101 betragen können.
Selbstverständlich kann man zum Betrieb des Motors nach F i g. 11 auch die Integrationsschaltungen nach
F i g. 1 oder F i g. 5 verwenden, wobei dann nur einer der beiden Ausgänge des Differenz-Verstärkers 54,57 verwendet
wird.
Falls man bei der Schaltung nach F i g. 11 erreichen
will, daß die Integrierschaltung 144 nach dem Abschalten des Motors noch solange mit Strom versorgt wird,
bis der Motor zum Stillstand gekommen ist, sieht man zweckmäßig in der Zuleitung zur Integrierschaltung 144
eine Diode 164 in Reihe mit einem Widerstand 165 vor,
wobei über diese Diode 164 ein relativ großer Kondensator 166 gespeist wird. Dieser Kondensator 166 lädt
sich im Betrieb auf und speist nach dem Abschalten die Integrierschaltung 144 bis zum Stillstand des Motors.
Wird also der Motor während des Auslaufens erneut eingeschaltet so ist die Integrierschaltung 144 noch im
Betrieb und kann die Steuerung des Stromes in der Wicklung 142 sogleich wieder übernehmen. Die Diode
164 verhindert in dieser Schaltungsvariante, daß Strom vom Kondensator 166 zu den Transistoren 153 und 143
fließt
F i g. 12 zeigt eine weitere Variante zu der Schaltung nach Fig. 11. Der Integrator 170 ist hier wie bei den
F i g. 1 und 5 als passiver Integrator ausgebildet und besteht aus einem Kondensator 171 (z. B. 50 Mikrofarad),
der über einen Widerstand 172 (z. B. 20 kOhm) aus der Wicklung 123 gespeist wird. Zur Verstärkung der
integrierten Spannung am Kondensator 171, die naturgemäß nur sehr klein ist, dient ein Operations-Verstärker
173, der bekanntlich einen hohen Eingangswiderstand von zum Beispiel 1 MOhm hat und daher für diese
Aufgabe besonders gut geeignet ist. Die eine Elektrode des Kondensators 171 ist über einen Widerstand 179 an
den Ausgang 180 und über einen Widerstand 175 an den Plus-Eingang 176 des Verstärkers 173 angeschlossen,
seine andere Elektrode an den Minus-Eingang 177. Ferner ist diese andere Elektrode über einen Kondensator
178, der die Anfangsbedingung für die Integration festlegt, mit der Plus-Leitung 43 verbunden. Der Eingang
176 ist ferner an einen den Arbeitspunkt des Verstärkers festlegenden Spannungsteiler 183, 184 angeschlossen.
(Das Verhältnis der Widerstände 175 und 179 bestimmt den Verstärkungsfaktor.) — An den Ausgang 180 ist die
so Basis eines pnp-Transistors 185 angeschlossen, dessen Emitter an einem Spannungsteiler 186, 187 liegt und
dessen Kollektor über einen Widerstand 188 mit der Leitung 42 und direkt mit der Basis eines npn-Leistungstransistors
189 verbunden ist, dessen Emitter an der Leitung 42 liegt und dessen Kollektor über die Wicklung
142 mit der Leitung 43 verbunden ist.
Die Schaltung nach F i g. 12 arbeitet wie folgt:
Vor dem Einschalten hat der Motor seine in F i g. 11 dargestellte stabile Ruhelage. Beim Einschalten erhält der Kondensator 171 über den Start-Kondensator 178 einen Strom-Impuls, der ersteren auf eine definierte Ausgangsspannung auflädt. Diese Spannung steuert den Verstärker 173 so an, daß die Transistoren 185 und 189 leitend werden und damit der Anlauf des Motors beginnt. Sobald sich der Rotor 101 (F i g. 11) dreht, wird in der Wicklung 123 eine Spannung induziert, die im Integrierglied 170 integriert wird und die weitere Steuerung des Verstärkers 173 und damit des Stromes in der einzi-
Vor dem Einschalten hat der Motor seine in F i g. 11 dargestellte stabile Ruhelage. Beim Einschalten erhält der Kondensator 171 über den Start-Kondensator 178 einen Strom-Impuls, der ersteren auf eine definierte Ausgangsspannung auflädt. Diese Spannung steuert den Verstärker 173 so an, daß die Transistoren 185 und 189 leitend werden und damit der Anlauf des Motors beginnt. Sobald sich der Rotor 101 (F i g. 11) dreht, wird in der Wicklung 123 eine Spannung induziert, die im Integrierglied 170 integriert wird und die weitere Steuerung des Verstärkers 173 und damit des Stromes in der einzi-
17
gen Antriebswicklung 142 übernimmt
Die Integrationsschaltung 170 nach F i g. 12 arbeitet nach dem Abschalten der Versorgungsspannung weiter,
so daß diese Integrationsschaltung 170 auch dann sofort die Steuerung des Verstärkers 173 wieder übernehmen
kann, wenn der Motor beim Auslaufen erneut eingeschaltet wird. Der dabei entstehende erneute Einschaltimpuls
des Kondensators 178 wird in diesem Fall weitgehend unterdrückt Besonders zweckmäßig ist es in
diesem Fall, wenn die Zeitkonstante Ä— C der Integrationsschaltung 170 etwa der Zeit entspricht die nach
dem Abschalten der Betriebsspannung bis zum Stillstand des Rotors 101 vergeht
Die Erfindung ermöglicht also mit einfachen Mitteln eine wesentliche Erhöhung der Betriebstemperatur bei is
kollektorlosen Gleichstrommotoren. Durch den Wegfall des für den oder die Hallgeneratoren erforderlichen
Steuerstroms wird außerdem der Wirkungsgrad besonders bei kleineren Motoren ganz wesentlich verbessert,
so daß auch bei diesen Wirkungsgrade in der Größen-Ordnung von 70% mit der Erfindung ohne besondere
Anstrengungen erreichbar sind.
Hierzu 7 Blatt Zeichnungen
25
30
35
40
45
50
55
60
65
Claims (1)
1. Kollektorloser Gleichstrommotor mit einem permanentmagneiischen Rotor und mindestens einer
mit diesem zusammenwirkenden Antriebs-Statorwicklung, welcher ein Halbleiterelement einer
Kommutierungsschaltung 7ur Steuerung des in ihr fließenden Stromes zugeordnet ist, mit einem aktiven,
seine Energie direkt dem Rotor im Betrieb entziehenden, durch sein Ausgangssignal mit dem Halbleiterelement
zusammenwirkenden Rotorstellungsgeber, Mitteln zum Erzeugen einer definierten Startstellung
des Rotors relativ zum Stator, sowie einer Einrichtung, die unabhängig vom Ausgangssignal
des Rotorstellungsgebers beim Einschaltvorgang ein Antriebsmoment auf den Rotor hervorruft dadurch
gekennzeichnet, daß
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OD | Request for examination | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: PAPST-MOTOREN GMBH & CO KG, 7742 ST GEORGEN, DE |
|
8120 | Willingness to grant licences paragraph 23 | ||
D2 | Grant after examination | ||
8363 | Opposition against the patent | ||
8365 | Fully valid after opposition proceedings | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |