DE2647675C3

DE2647675C3 - Elektromotor

Info

Publication number: DE2647675C3
Application number: DE2647675A
Authority: DE
Inventors: Toshihiko Yokohama Gotoh
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1975-10-23
Filing date: 1976-10-21
Publication date: 1983-01-20
Also published as: GB1565537A; US4093897A; DE2647675A1; MY8100380A; DE2647675B2; HK18381A

Description

a) daß eine .iompensationsspule (51) im Magnetfeld angeordnet ist durch "^:e die bei jedem Paar der Antriebsspulen ("%, 27) erzeugten Antriebs-Magnetflüsse treten, zur Erzeugung einer Spannung, die eine Frequenz und eine Amplitude besitzt, die der Änderung des Antriebs-Magnetflusses des Paars der Antriebsspulen (26, 27) entspricht.

b) daß die Spannung der Kompensationsspule (51) in Phase und Amplitude der Spannung aus der Drehzahlerfassungswickiung (50) so überlagert wird daß sie zur zweiten Komponente de. Spannung der Drehzahlerfassungswicklung (50) in Ciegenphase und in gleicher Amplitudenbe Ziehung ist.

c) daß die Kompensationsspule (51) längs des Außenumiangsder mehreren Leitungselcmenie (31 bis 35, 41 bis 44) zur Stromerzeugung der Drehzahlerfassungswickiung (50) angeordnei ν ist

d) daß die Kompensationsspule (5t) und die Drehzahlerfassungswicklung (50) auf einer gemeinsamen Isolierplatte (22) angeordnet sind.

e) und (IhO ilie Drchzahlerfassiingsw. icklung (50) jeweils 2n t I in Iimfangsrichtung gleichmäßig über je einen Polsektor (17 Dis 20) verteilte radiale l.titungselemente (31 bis 35. 41 bis 44) pro Viagnelpolscktor (17 bis 20) de«. Schcibenmagnttcii (15) aufweist, wobei π eine eo ganze positive Zahl ist.

fii

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor der im Oberbegriff des Patentanspruchs angegebenen Gattung.

Aus der US-PS 34 02 333 ist ein derartiger Elektromo;or bekannt, dessen Läufer zwei mit Zwischenabstand auf einer Welle befestigte Scheibenmagneten aufweist und in dessen Ständer zwei in Reihe geschaltete Antriebsspulen sowie eine Drehzahl-Erfassungswicklung aufweist, wobei alle drei Spulen in gedruckter Schaltungs-Bauart ausgeführt und axial zwischen den beiden „cheibenmagneten unter Ausbildung je eines Luftspaltes an jeder Seite angeordnet sind. Im Betrieb wird in der Drehzahl-Erfassungswicklung eine Wechselspannung induziert, deren Frequenz und Amplitude der Läuferdrehzahl entsprechen. Diese Wechselspannung bildet die Steuerspannung für eine Transistor-Steuerung, die zwischen einer Gleichstromquelle und den Antriebsspulen eingeschaltet ist. Die brehzahl-Erfassungswicklung und die beiden Aniriebsspulen sind gleich ausgebildet und in genauer Flucht hintereinander angeordnet. Aus diesem Grunde bewirkt das in der Drehzahl-Erfassungswicklung induzierte Wechselstromsignal über die Transistorsteuerung eine Beaufschlagung der Antriebsspulen mit einem von der Gleichstromquelle Mjnniicriuun entsprechend unigewandelten Wechselstrom, dessen Magnetfluß eine Weiterdrehung der Scheibenmagneten und damit des Läufers zur Folge hat. Aus dieser IJiuferdrehung folgt wiederum ein Frequenzanstieg der in der Drehzahl-Erfassungswicklung induzierten Wechselspannung, damit entsprechend schnellere Umschaltzyklen der Transistor-Steuerung und ein Frequer.zanstieg der den Antriebsspulen zugeführten Wechselspannung. Die auf diese Weise erreichte gleichmäßige Drehzahlsteigerung des Laufers setzt sich bis zum Erreichen eines in der Transistor-Steuerung eingestellten Soll-Wertes fort und wird nach Erreichen dieses Soll-Wertes konstant gehalten.

Ein wesentliches Funktionsmerkmal dieses bekannten Synehron-Motors besteht darin, daß bei jedem Nulldurchgang des in der Drehzahl-Erfassungswicklung induzierten Wechselstroms die Transistoren in der Transistor-Steuerung umgeschaltet rf-rden. so daß die Frequenz des den Antriebsspulen zugeführten Wechsel stroms der in der Drehzahl-F.rfassung"-wicklung induzierten Wechselstrom-Frequenz zumindest in etwa entspricht. Wenn b.-ispielswei-.e die Lauferdrehzahl nur geringfügig zu oder abnimmt, hat dies eine entspre chend geringe Frequenzänderung der η der Drehzahl Frfassungswicklung induzierten Wechselspannung zur I oige. Fm derartiges Ansprechverh.i.'cn wird den hohen Anforderungen mehl gerecht, the ζ. B an Antnebsmotoren für direkt angetriebene f'iattentelle bzw Magnetbänder moderner Abspielgerate gestell! werden.

Aus der CUPS 4 W 316 ist ein Elektromotor mim ähnlichem konstruktiven Aufbau bekannt, bei dem zur Kompensation von Strcuflnssen cm gesonderter frans formator dient, dessen Primärwicklung nut der Stator wicklung und dessen Sekundärwicklung mit einer Drehzahl-Meßwicklung in Reihe geschaltet sind

Weiterhin ist aus der Df P> Γ1 hi 087 ein indiikmer Drchzahlgebc- bekannt, tier einen magnetisch erregten. Cine lndllktlons.W!t;k!ung aumehnienden Stator und einen scheibenförmigen Rotor aufweist. Stator ebenso wie Rotor tragen sich axial unter Ausbildung eines Luftspaltes gegenüberliegende Ringflansche, die an ihren Stirnflächen gezahnt sind. Um den Kinflul.i von äußeren elektromagnetischen Störquelien auf die in der Induktionswickliing induzierten Drehzahl-Signale zu vermeiden, bildet der Stator zwei über seinen Umfang

verteilte magnetische Kreise mit je einer so im Stator angeordneten Teilwicklung, daß die magnetische Erregung in den beiden Kreisen entgegengesetzt gerichtet ist und die induzierten Nutzspannungen gleichphasig summiert werden. Diese entgegengesetzte Richtung der in den beiden Kreisen wirksamen Magnetflüsse f.at zur Folge, daß axial und symmetrisch zum Drehzahlgeber verlaufende Feldlinien eines Störfeldes Störspannungen in den beiden Teilwicklungen induzieren, die ^egenphasig sind und sich bei der Summierung der beiden in den Teilwicklungen induzierten Spannungen gegenseitig aufheben.

Aufgabe der Erfindung ist es. einen Elektromotor der eingangs genannten Gattuni? so auszubilden, daß die in der Drehzahl-Erfassungswicklung erhaltenen Drehzahlsignale durch das Antriebs-Magnetfeld möglichst wenig beeinflußt werden.

Diese A'ifgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs gelöst. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Kompensationsspule wird erreicht. da3 in dieser Kompens,3'ionssp«j|e eine Spannung induziert wird, deren Frequenz und Amplitude sich gleichzeitig mit den Magnetflüssen in den Antriebsspulen ändert. Die in der Drehzahl-ErfaLSjngs wicklung durch die Änderung der Magnetflüsse in den Antriebsspulen erzeugte Spannung und die in der Kompensalionsspule induzierte Spannung werden bezüglich ihrer Polarität und Amplitude so subtraktiv zusammengesetzt, daß das Drehzahlsignal von Rauschkomponenten der Drehzahl-Erfassungswicklung frei ist. Die erfindungsgemäße Zuordnung von jeweils 2n + 1 Leitungselementen der Drehzahl-Erfassungswickiung zu jeweils einem der Permanentmagnete bewirkt eine um diesen Multiplikator höhere Frequenz der in der Drehzahl Erfassungswicklung induzierten Drehzahlsignale gegenüber der Läuferdrehzahl. Dies hat zur Folge, daß bereits geringfügige Änderungen der Läuferdrehzahl um diesen Multiplikator vergrößerte Frequen/- anderungen der Drehzahlsignale haben, wodurch das Ansprechverhalten der Steuerung des erfindungsgema- Ben Elektromotors wesentlich verbessert wird da bereits geringe Abweichunger der Drehzahl vom vorgegebenen Soll-Wert Regelvorgange von entsprechender Intensität auslosen

In der Patentanmeldung P 25 60 2Ji ~ }2 <m bereits ein kollektorloser Gleichstrommotor m" Scheiben,tor für /. B. Plattenspieler und oder Magnetbandgeräte vorgeschlagen worden, der einen /ur Welle k-axiai-.-r Tachogenerator und eine mit diesem elektrisch gekoppelte Kompensationssmile aufweist, die m ι Jet· >o gleichen Streuflüssen wie de, Tachogenerator verkeilet ist. De Ausgangssignale des Tjchogencators utu: der Komperisationsspule können /ur kompensation diese, Streuflusse überlagert werden

Die Erfindung wirr* anhand des in de Zeichnung >ί dargestellten Aiisfuhrungsbeispiels naher erläutert l> zeigt

!-igl Perspektive^;, im Teilschritt! ein Ausfuhrungs bcispiil les Elektromotors.

I ig 2 in Explosionsdarstellung den Elektromotor wi

gemäß f 1 g. I.

Fig. 3 perspektivisch die Antriebsspulen.

F i g. 4 in Aufsicht ein erstes Aiisfiihrungsbeispiel der Drehzahlerfassungsspule.

Fig. 5 ein Schaltbild einer Antriebs- oder Ansteuersch.iltung.

Fig. b in Aufsicht die Beziehung zwischen den Antriebsspulen und einem Magneten, Fig.7 eine Drehmoment-Drehwinkel-Kurve, Fig.8 in Abwicklung die Drehzahlerfassungswicklung und den Magneten,

F i g. 9 ein Schaltbild eines Addierglieds. Die Fi g. I und 2 zeigen perspektivisch im Teilschnitt bzw. in Explosionsdarstellung den Elektromotor I, der eine scheibenförmige Grundplatte 2 aus einem Magnetwerkstoff, wie Eisen oder Siliziumstahl, und einen schalenförmigen Deckel 3 aufweist, der auf der Grundplatte 2 befestigt ist. Der Deckel 3 weist eine obere Platte 4, einen daran anstoßenden Zylindeneil 5und einen Rand 6 auf, die alle aus Magnetwerkstoff bestehen. Die Grundplatte 2 wirkt als unteres Joch und ein Zyünder-Tragglied 7 ist in dessen Mitte befestigt. Das Tragglied 7 besteht aus unmagnetischem Werkstoff, wie Messing, und weist einen Rand 8 an seinem oberen Umfangsteil auf. Das Tragglied 7 ist in einer Mittelbohrung 9 der Grundplatte 2 eingesetzt und dort so befestigt, daß die Bodenfläche des Randes 8 auf der Grundplatte 2 aufliegt. Der untere Umfang des Tragglieds 7 weist ein Gewinde 10 . .f. auf das eine Kappe ii aufgeschraubt ist. Ein Kugeüage 12 ist in der Kappe 11 vorgesehen Eine Welle 13 ist im Tragglied 7 von dessen Oberseite eingesetzt. Das Unterende der Welle 13 liegt auf dem Kugellager 12 so auf. dab die Welle 13 'urch das Kugellager 12 und das Tragglied 7 drehbar gehaltert ist. Im Mittelteil der Welle 13 ist ein oberes loch 14 aus Magnetwerkstoff, wie Eisen oder Siliziumstahl, angebiacht.

Ein Mehrpol-Scheibenmagnet 15 ist mmel:. Klebstoff an der Bodenftäche des oberen (ochs 14 angeklebt. Der Mehrr/ol-Scheibenrr.agnet 15 ist rund und besteht / U. aus Aluminium-Nickel-Kobalt-Legierung oder einem Ferrit, und besitzt eine Mittelbohrung 16, durch die die Welle 13 ragt, zu seiner Befestigung am oberen Joch Hkoaxial zur Welle 13. Der Magnet 15 ist längs seines Umfangs in mc hrere Sektoren oder Abschnitte geteilt. /. B. acht Abschnitte in F i g. 2. wobei jeder Absi hnitt 17, 18, 19. 20 mit abwechselnder Polarität magneten ist. Beispielsweise ist der Abschnitt 17 mit einem \ Po! an der Oberseite des Magneten 15 magnetisiert wahrend du links bzw. rechts benachbarten Abschnitt 18 und 20 mit einem S-PoI magnetisiert sind, wobei der dem Abschnitt 18 benachbarte Abschnitt 19 rrv' einem N-PoI magnetisiert ist. Die Abschnitte 17, 18. 19. TQ sind in Richtung der Dickenausdehnung des Magneten 15 so magnetisiert, daft dann, wenn die Oberseite des Abschnitts (/ B 17) al·. \ Pol magnetisiert ist dessen Unterseite als SPoI magnetisiert ist. Vier Unterlag scheiben 21 sind an der Oberseite der Grundplatte 2 V'·■ gesehen, und ein" (erste) loslierplatte 22 aus P'vnolria / od. dgl. ist auf den Unterlagscheiben 21 befestigt, wobei das Tragglied 7 durch eine Mittelboh rung 28 Jer Isolierplatte 22 ragt. Schrauben oder Bolzen sind in Bohrungen 23, die an vier Ecken der Isolierplatte 22 vorgesehen sind, durch die li.iterlag sei 'en 21 eingesetzt und in Gewinde 25 in der Grundplatte 2 eingeschraubt. Die Isolierplatte 22 ist an der Grundplatte 2 angebracht, -jkohci cm Abstand /wischen der Isolierplatte 22 und der Grundplatte 2 durch die Unterlagscheiben 21 aufrechterhalten ist. Em Paar von Antriebsspulen 26, 27 ist an der Bodtnfiäche der Isolierplatte 22 befestigt. Wie in F i g. 3 dargestellt, ist jede der beiden Antriebsspulen 26, 27 sternförmig ausgebildet .-nd besift mehrere Windungen eines dünnen Kupferdrahts, der mit einer Isolierschicht beschichtet ist. Jede der Antriebsspulen 26, 27 ist als flache sternförmige Anordnung aiiss-'cbiidpt Ηργρπ

Spitzen an vier gleichbeabstandeten Punkten am Umfang eines Kreises mit einem Durchmesser, der dem Außendurchmesser des Magneten 15 entspricht, liegen, deren innere Ecken auf einem Kreisumfang mit einem Durchmesser, der dem Innendurchmesser des Magneten 15 entspricht, liegen, wobei diese jeweils um 45" von einem entsprechenden, zuvor festgelegten der viei Punkte entfernt bzw. verschoben sind. Zur Herstellung wird ein dünner Kupferdraht von einem der inneren Ecken zur zugehörigen Spitze gespannt, dort wird der Draht gebogen und zur zweiten inneren Ecke geführt, dort gebogen und zur zweiten Spitze geführt usw. Die so gebildeten beiden Antriebsspulen 26, 27 werden aufeinanderliegend koaxial zur Welle 13 angeordnet und an der Isolierplatte 22 angeklebt. Die Kupferdrähte der beiden Antriebsspulen 26, 27, die vom Außenumfang zum Innenumfang oder umgekehrt liegen, sind mit einem Magnetfluß des Magneten 15 verkettet und definieren Antriebsbereiche 29 bzw. 30 zum Antreiben b/w. Ansteuern des magneten Ϊ5 in (Jen Verketiurigsbereichen. Die Antriebsspulen 26, 27 sind so aufeinander angeordnet, daß die Antriebsabschnitte 29, 30 um einen Winkel von 22,5° in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind. Mehrere sich radial erstreckende Stromleitungselemente 31 zur Stromerzeugung sind an der Oberfläche der Isolierplatte 22 vorgesehen und sind reihengeschaltet zur Bildung einer Drehzahlerfassungswicklung 50. Wie in Fig.4 dargestellt, besitzt die Drehzahlerfassungswicklung 50 mehrere sich radial erstreckende Leitungselemente 31, 32, 33, 34, 35 ... auf der Oberfläche der Isolierplatte 22. Das erste Leitungselement 31 ist bespielsweise mit dem benachbarten zweiten Leitungselement 32 an der Innenumfangsseite verbunden, das zweite Leitungselement 32 ist mit dem dritten Leitungselement 33 an der Außenumfangsseite verbunden und das dritte Leitungselement 33 ist mit dem vierten Leitungselement 34 an der Innenumfangsseite verbunden. In gleicher Weise sind die übrigen Leitungselemente mit ihren jeweils benachbarten Leitungselementen abwechselnd an der Innenumfangsseite bzw. der Außenumfangsseite so miteinander verbunden, daß die Leitungselemente 31, 32, 33, 34, 35.. miteinander in Reihe geschaltet sind. Die Drehzahlerfassungswicklung 50 kann als gedruckte Schaltung ausgeführt sein, die durch Aufbringen einer Kupferfolie auf der Oberseite der Isolierplatte 22. durch Aufdrucken der Leitungselemente 31, 32, 33, 34, 35 ... und deren Verbindungen auf der Kupferfolie und durch Abätzen der Kupferfolie unter Schützen der gedruckten Bereiche gebildet wird. Die sich radial erstreckenden Leitungselemente 31,32,33,34,35 ... sind für jeden der Magnetpole des Magneten 15 (2/7 + I)mal vorgesehen, wobei η positiv und ganzzahlig ist. Die Drehzahlerfassungswicklung 50 gemäß F i g. 4 ist ein Beispiel, bei der π = 1, wobei drei Leitungselemente für jeden Magnetpol vorgesehen sind und wobei insgesamt 24 Leitungseiemente für den Magneten gemäß Fig.2 vorgesehen sind, wobei dort der Magnet 15 in 8 magnetisierte Abschnitte oder Sektoren geteilt ist Bei der in F i g. 2 gezeigten Drehzahlerfassungswicklung 50 beträgt als Beispiel /7 = 4 und sind 9 Leitungselemente für jeden Magnetpol und insgesamt 72 Leitungselemente 31 vorgesehen. Das erste Leitungselement 31 und das letzte Leitungselement 34 (das 24. Leitungselement in Fig.4) besitzen Anschlüsse 36 bzw. 37, an die äußere Zuführleitungen angeschlossen sind und die die Ausgangsanschlüsse der Drehzahlerfassungswicklung 50 bilden.

An der Oberseite der Isolierplatte 22 ist längs des Außenumfangs der Drehzahlerfassungswicklung 50 eine gekrümmte Kompensationssptile 51 angeordnet, die Ά des Außenumfangs der Drehzahlerfassungswicklung 50 umgibt. Ein Ende der Kompensationsspule 51 ist mit dem Ausgangsanschluß 36 des ersten Leitungselements 31 verbunden, und das andere Ende ist mit einem Ausgangsanschluß 52 verbunden. Die Kompensationsspule 51 ist mit der Drehzahlerfassungswicklung 50

in reihengeschaltet. Eine (zweite) Isolierplatte 53 ist auf der Grundplatte 2 angeordnet, und zwei Halleffekt-Bauclcmente oder Hallgeneratoren 54, 55 sind auf der zweiten Isolierpia!'e 53, um die Welle 13 mit einem Winkelabstand von 22,5°, befestigt. Das Paar der Hallgeneratoren 54,55 ist im Magnetfeld des Magneten 15 nahe von Stellungen oder Lagen angeordnet, die dem Außenumfang des Magneten 15 entsprechen.

Der schalenförmige Deckel 3 besitzt eine Mittelbohrung 38 in seiner Oberplatte 4, in der das Oberende der

Ji) w'ciic Ij su cingcSciZi ist, üdu uci* rvtülu G ücS DcCrcis 3

an der Grundplatte 2 anliegt, wobei der Rand 6 und die Grundplatte 2 mittels Bolzen oder Schrauben 39 miteinander verbunden sind.
Bei dem so aufgebauten Elektromotor wird, wenn ein einseitiger Antriebs- oder Ansteuer-Gleichstrom einer der beiden Antriebsspulen 26,27, z. B. der Antriebsspule 26 zugeführt wird, ein Antriebs-Magnetfeld an der Antriebsspule 26 durch den Antriebsstrom erzeugt. Das Antriebe-Magnetfeld wirkt mit dem Magnetfeld des Magneten 15 zusammen zur Erzeugung einer Antriebs-Kraft F. Dies ist in Fig. 6 dargestellt, in der die Antriebsspule 26 mit dem die Wicklung bildenden Kupferdraht dargestellt ist. Wenn in Richtung eines Pfeils 58 fließender Gleichstrom der Antriebsspule 26zugeführt ist, werden Antriebs-Magnetflüsse in den Antriebsbereichen 29a, und 29£> der Antriebsspule 26 erzeugt, die die Antriebsbereiche 29a und 79b im Uhrzeigersinn umgeben, bei Betrachtung in Richtung des fließenden Stroms. Wenn der Antriebsbereich 29aund 29£> der Antriebsspule 26 über den Magnetpolen 17,18,19,20 des Magneten 15 angeordnet ist, wie das in F i g. 6a dargestellt ist, werden Kräfte im Gegenuhrzeigersinn in dem Antriebsbereich 29a und 296 in senkrechter Richtung dazu erzeugt.

Beispielsweise wirken der Magnetfluß des N-Magnetpols 17 und der Magnetfluß des darüber angeordneten Antnebsbereichs 29a zusammen zur Erzeugung einer Kraft F, am Antriebsbereich 29a. die senkrecht dazu ist. In gleicher Weise wird am Antriebsbereich 29b, der über

so dem S-Magnetpol 18 angeordnet ist, eine Kraft F₂ senkrecht zum Antriebsbereich 296 erzeugt. Die in den Antriebsbereichen 29a und 29b erzeugten Kräfte r) und F₂ sind in gleicher Richtung gerichtet, und die Kraftkomponente Ρθ\ und FO₁ der Kräfte F] und F₂, die in Umfangsrichtung des Magneten 15 wirken, erzeugen eine Antriebskraft F für den Magneten 15. Da die Antriebsspule 26 an der Grundplatte 2 befestigt ist, ruft die an der Antriebsspule 26 erzeugte Antriebskraft F eine Drehung des Magneten 15 so hervor, daß der Magnet 15 im Uhrzeigersinn mit der Welle 13 um die Weile 13 gedreht wird. Wenn der Magnet 15 in eine Stellung gedreht ist, in der zwei Antriebsbereiche 29 über einen Magnetpol angeordnet sind, wie das in Fig.6b dargestellt ist, ist die Summe der an den jeweiligen Antriebsbereichen 29a und 296 erzeugten Antriebskräfte NuIL Wenn also, wie in Fig.6b dargestellt, zwei Antriebsbereiche 29a und 296 über einem Magnetpol 17 angeordnet sind, sind die

Richtungen der Magnetflüsse, die die beiden Antriebsbereiche 29a und 296 verketten, gleich und sind die Richtungen der durch die Antriebsbereiche 29a und 296 fließenden Ströme entgegengesetzt. Folglich sind, die am Antriebsbereich 29a erzeugte Kraft Fi und die am *> Antriebsbereich 296 erzeugte Kraft F; gleich groß und entgegengesetzt gerichtet, und folglich sind die Kraftkomponenten Fß\ und F&. die in Umfangsrichtung des Magneten 15 wirken, ebenfalls gleich groß und entgegengesetzt gerichtet, wodurch sich eine Antriebskraft F zum Antrieb des Magneten 15 ergib·, die Null beträgt.

Wenn der Magnet 15 aufgrund seiner Trägheit in eine Stellung weitergedreht wird, in der die jeweiligen Aniriebsbereiche 29a und 296 jeweils über den entsprechenden Magnetpolen angeordnet sind, wie das in F i g. 6c dargestellt ist, ist der Antriebsbereich 29a nun über dem S-Magnetpol 20 und ist der Antriebsbereich 296 über dem N-Magnetpol 17 angeordnet entgegengesetzt wie im Fall gemäß F i g. 6a. Folglich sind die an den Antriebsbereichen 29a und 296 erzeugten Kräfte Fi und F2 entgegengesetzt zu denen gemäß Fig.6a gerichtet, so daß der Magnet 15 im Gegenuhrzeigersinn gedreht und in die in Fig. 6b gezeigte Lage zurückgedreht wird. F i g. 7 zeigt die Beziehung zwischen dem Drehwinkel θ des Magnets 15 und dem Drehmoment T, der im Magnet 15 bei der Bedingung gemäß F i g. 6 erzeugt wird. F i g. 7 zeigt einen Drehmomenten-Verlauf, bei dem die Abszisse den Drehwinkel θ des Magneten 15 und die Ordinate das Drehmoment T darstellt. Wie durch die Vollinie 56 dargestellt ist, wird das Drehmoment Γ bei jeweils einer Drehung des Magneten 15 um den Winkel 22,5° zu Null und wird ein negatives Drehmoment T erzeugt, zwischen den Drehwinkeln 22,5° und 67,5° ebenso zwischen den Drehwinkeln 112,5° und 157,5°, zwischen 202.5° und 247,5°, zwischen 292,5° und 337,5° usw., weshalb das ergebende Drehmoment aus der Summe der negativen Drehmomente und positiven Drehmomente Null beträgt, so daß der Magnet 15 nicht gedreht werden kann. Durch Umkehr der Richtung des Antriebsstroms, der der Antriebsspule 26 im Bereich negativen Drehmoments (Fig. 7) zugeführt wird, d.h. zwischen z. B. 22,5° und 67,5°, wird ein positives Drehmoment in diesem Bereich erzeugt, wie das durch die Strichlinie 57 dargestellt ist.

Wie in F i g. 6d dargestellt, wird dadurch, daß eine der Antriebsspulen 26 koaxial auf der anderen Antriebsspule 27 angeordnet ist, wobei sie um einen Winkel von 22,5° voneinander beabstandet sind und wobei sinusförmige Antriebsströme den Antriebsspulen 26 und 27 zugeführt werden, deren Phasen sich um 90° voneinander unterscheiden, die Fließrichtung des Antriebsstroms umgekehrt bei jeder Drehung des Magneten 15 um 45° und wird der Antriebsstrom Null bei jeder Drehung des Magneten 15 um 22^5°. Folglich wird der Magnet 15 in vorgegebener Richtung gedreht, ohne daß ein Kommutator oder Bürsten notwendig sind. Eine der Antriebsspulen 26, 27, beispielsweise die Antriebsspule 26, wird mit einem Sinusstrom versorgt, während die andere Antriebsspule 27 mit einem Kosinusstrom versorgt wird, dessen Phase sich von der des Sinusstroms um 90° unterscheidet

Wenn sich der Magnet 15 dreht bewegen sich die Magnetflüsse, die von den Magnetpolen 17,18,19,20... des Magneten 15 abgegeben werden, während die Leitungselemente 31, 32, 33,34, 35 ... die Drehzahlerfassungswicklung 50 verketten. Wenn die Magnetflüsse, die die Leitungselemente 31,32,33,34,35... verketten, sich ändern, induzieren diese Leitungselemente 31, 32, 33, 34, 35 Signale, deren Amplituden der Größe der Änderung der Magnetflüsse entsprechen, und deren Frequenzen den Perioden der Änderung entsprechen. Diese Signale werden über den Leitungselementen erzeugt, wenn die Grenzen der Magnetpole 17, 18, 19, 20 ... des Magneten 15 über die Leitungselemente 31 hinweggehen. Da die Leitungselemente 31,32,33,34,35 ... für jeden Magnetpol 17, 18, 19, 20 ... des Magneten 15 (2n + l)mal vorgesehen sind, weisen die Signale, die an den an den Grenzen der Magnetpole angeordneten Leitungselementen induziert werden, eine Polarität auf, die das Fließen von Signalströmen in die gleiche Richtung ermöglichen, so daß diese Signale zueinander addiert werden. In Fig. 8 ist in Abwicklung die Beziehung zwischen den Leitungselementen der Drehzahlerfassungswicklung 50, der darüber induzierten Signale und der Magnetpole dargestellt, wobei F i g. 8a ein Ausführungsbeispiel zeigt, bei dem die Anzahl der Leitungselemente der Drehzahlerfassungswicklung 50 pro Magnetpol 3 beträgt (n = I), und wobei F i g. 8b ein Ausführungsbeispiel mit /7 = 2 zeigt. In F i g. 8a sind die dem Magnetpol 18 zugeordneten drei Leitungselemente die drei Leitungselemente 31, 32, 33, während die dem Magnetpol 19 zugeordneten Leitungselemente die nächsten drei Leitungselemente 34, 41, 42 sind. Wenn beispielsweise der Magnet 15 sich nach rechts, wie durch einen Pfeil dargestellt, bewegt, ändert sich der Magnetfluß, der mit dem Leitungselement 31, das nahe der Grenze der Magnetpole 17 und 18 angeordnet ist, verkettet ist, von dem Magnetfluß des Magnetpols 18 zu dem des Magnetpols 17. Folglich ändert sich die Richtung des Mapnetflusses und ν ird eine Spannung über dem Leitungselement 31 induziert. Über die anderen Leitungselemente 32, 33 wird keine Spannung induziert, da sie damit verketteten Magnetflüsse sich nicht ändern. Wenn die Polarität der in dem Leitungselement 31 induzierten Spannung so ist, daß das Fließen eines Stroms im Leitungselement 31 von unten nach oben gemäß dem dargestellten Pfeil möglich ist, wird eine Spannung einer Polarität in dem Leitungselement 34, das nahe der Grenze der Magnetpole 18 und 19 angeordnet ist, induziert, durch die ein Strom nach unten fließen kann gemäß dem dargestellten Pfeil. Eine Spannung mit einer Polarität, durch die ein Strom nach oben fließen kann, wird im Leitungselement 43 induziert, das nahe der Grenze der Magnetpole 19 und 20 angeordnet ist, und eine Spannung einer Polarität, durch die ein Strom nach unten fließen kann, wird in dem Leitungselement 44 induziert, das nahe der Grenze der Magnetpole 20 und 40 angeordnet ist. Da die in den Leitungselementen 31, 34, 43 und 44 induzierten Spannungen so gepolt sind, daß die Ströme in der Drehzahlerfassungswicklung 50 in der gleichen Richtung fließen, addieren sich diese Ströme zur Erzeugung eines Ausgangs-Stroms. In gleicher Weise werden bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 8b Spannungen in den Leitungselementen 31,42,43 und 44 erzeugt durch deren Polarität Ströme in gleicher Richtung durch die Drehzahlerfassungswicklung 50 fließen, weshalb diese Ströme addiert werden. Da die Anzahl der Leitungselemente bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig.8b größer ist als bei dem gemäß F i g. 8a, ist die Frequenz der induzierten Spannung bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 8b größer als bei dem gemäß F i g. 8a.

Wenn sich der Magnet 15 dreht, ändert sich der mit den Leitungselementen verkettete Magnetfluß sequentiell, so daß die Drehzahlerfassungswicklung 50 eine

Spannung induziert, deren Frequenz proportional zur Drehzahl des Magneten 15 ist. Da der Magnet 15 in acht Magnetpole (Fig. 2) geteilt ist. wird die Drehzahl des Magneten 15 in acht voneinander getrennten Lagen erfaßt. Folglich kann die Drehzahl des Magneten 15 genau erfaßt werden ohne nachteilige Beeinflussung durch ungleichförmige Magnetisierung der Magnetpole und durch Exzentrizität des Magnets 15. Da das Ausgangssign?! von der Drehzahlerfassungswicklung 50 die Änderung der Drehzahl des Magneten 15 als Änderung einer Frequenz wiedergibt, wird die Frequenz des Ausgangssignals mit der Frequenz eines Referenz- oder Bezugssignals verglichen zur Steuerung bzw. Regelung des Antriebsstroms, der den Antriebsspulen 26, 27 zugeführt wird, abhängig von der Differenz zwischen den Frequenzen zur Steuerung bzw. Regelung der Drehzahl des Magnets 15. F.benso kann die Frequenz des Ausgangssignals der Drehzahlerfassungswicklung 50 in eine Spannung umgesetzt werden, die mit einer Bezugsspannung zur Steuerung oder Regelung der Drehzahl des Magneten 15 verglichen wird.

Während die Drehzahlerfassungswicklung 50 durch die mehreren Leitungselemente 31,32,33,34,35 .... die durch die Magnetflüse des Magneten 15 verkettet sind, ein Signal einer Frequenz erzeugt, die der Drehzahl des Magneten 15 entspricht, wird, da die Drehzahlerfassungswickking 50 im Magnetfeld der beiden Antriebsspulen 26,27 angeordnet ist, ein Signal entsprechend der Änderung des Magnetfeldes der Antriebsspulen 26, 27 in der Drehzahlerfassungswicklung 50 erzeugt. Da die Antriebsspulen 26, 27 mit Sinus-Wechselströmen als Antriebsströme versorgt sind, ändert sich das Magnetfeld der Antriebsspulen 26, 27 periodisch. Würden Gleichströme den Antriebsspulen 26, 27 zugeführt und mittels Kommutator oder mittels Bürsten umgeschaltet werden, würden sich die Magnetfelder der Antriebsspulen 26, 27 ebenfalls ändern. Das in der Drehzahlet fassungsspule durch die Änderung des Magnetfelds der Antriebsspulen 26, 27 erzeugte Signal tritt als luschen im Drehzahlsignal auf, wodurch das Rauschverhältnis des Drehzahlsignals herabgesetzt wird, wodurch es wiederum schwierig wird, die Drehzahl des Magneten 15 genau anzuzeigen bzw. zu bestimmen. Die am Außenumfang der Drehzahlerfassungswicklung angeordnete Unterdrückungs- bzw. Kompensationsspule 51 ist im Magnetfeld der Antriebsspulen 26, 27 angeordnet. Die Kompensationsspule 51 ist mit den Magnetflüssen der Antriebsspülen 26, 27 verkettet, zur Erzeugung einer Spannung, die sich mit der Änderung des Magnetfeldes der Antriebsspulen 26, 27 ändert. Da die Drehzahlerfassungswicklung 50 und die Kompensationsspule 51 in Reihe geschaltet sind, wie das in F i g. 4 dargestellt ist, und da wie angenommen, eine Spannung in der Drehzahlerfassungswicklung 50 durch die Änderung des Magnetflusses der Antriebsspulen 26, 27 induziert wird, was das Fließen eines Stroms hervorruft, beispielsweise vom Leitungselement 35 durch die Drehzahlerfassungswicklung 50 im Gegenuhrzeigersinn, fließt der Strom durch die Kompensationsspule 51 im Uhrzeigersinn. Folglich ist er in Gegenrichtung zu dem Strom, der durch die Kompensationsspule 51 fließt, infolge der Spannung, die durch die Kompensationsspule 51 erzeugt ist, weshalb sich diese Ströme gegeneinander auslöschen oder aufheben. Folglich kann durch Abnehmen des Ausgangssignals von der Drehzahlerfassungswicklung 50 an den Anschlüssen 37 unu 52 ein Drehzahlsignal erhalten werden, das nicht durch die Magnetfelder der Antriebsspulen 26,27 beeinflußt ist.

Der Radius u:/l die Bogenlänge der Kompensationsspule 51 sind so bestimmt, daß die Kompensationsspule 51 einen Magne'fluß umgibt, der durch die Antricbsspu-■-, len 26, 27 erzeugt wird, der im wesentlichen gleich dem Magnetfluß ist. der von der Drchzahlerfassungsspulc 50 umgeben wird, so daß die in der Drehzahlerfassungswicklung 50 induzierte Spannung und die in der Kompensationsspule 51 induzierte Spannung gleich in groß sind.

Die Kompensationsspule 51 kann mit der Drehzahlerfassungswicklung 50 so in Reihe geschaltet sein, daß die in ersterer induzierter Spannung /.ur in letzterei induzierten Signalspannung gegengerichtet ist. oder sie ti kann einem Addierglied, wie es in F i g.^c) dargestellt ist. zugeführt werden.

F i g. 9 zeigt ein Schaltbild eines Addierglieds, bei dem ein Phasenumkehrtransistor 60 mit einer Basisvorspannung über Basisvorspannungswiderstände 61 und 62 versorgt ist, wobei seine Uasis an einem l-lingangsanschluß 63 anliegt und wobei sein Kollektor mil einer Stromversorgung über einen Kollektorwiderstand 64 verbunden ist und außerdem an der B;isis eines Summiertransistors 66 über einen Kondensator 65 und einen Widerstand 81 angeschlossen ist. Kin Spannungsverstärkertransistor 67 wird mit einer Basisvorspannung beaufschlagt über Basiswiderstände 68 und 69, wobei seine Basis an einem Eingangsanschluß 70 angeschlossen ist und wobei sein Emitter über einen Emitterwiderstand 71 an Masse und an einer Verbindungsstelle zweier Widerstände 73, 74 über einen Kondensator 72 liegt, wobei die Widerstände 73, 74 zwischen der Basis des Transistors 66 und Masse angeschlossen sind. Der Transistor 66 wird mit einer js Basisvorspannung über Widerstände 75, 76 versorgt und wird mit Vorspannungen über einen Kollektorwiderstand 77 und einen Emitterwiderstand 78 versorgt, wobei sein Emitter mit seinem Ausgangsanschluß 80 über einen Kondensator 79 verbunden ist.
Da das Ausgangssignal vom Kollektor des Transistors 60 abgenommen wird, ist die Phase des Ausgangssignals in Gegenphase mit dem de.. Eingangssignal und wird dieses Ausgangssignal dem Transistor 66 zugeführt. Das Ausgangssignal des Transistors 67 wird an seinem Emitter abgenommen und ist daher in Phase mit dem Eingangssignal. Dieses Signal wird auch dem Transistor 66 zugeführt. Wenn das Ausgangssignal der Drehzahlerfassungswicklung 50 aiii Eingangsanschluß 63 und das Signal der Kompensationsspule 51 am Eingangsanschluß 70 anliegen, sind die beiden Signale in Gegenphase und werden gegeneinander gelöscht, wenn sie dem Transistor 66 zugeführt werden. Folglich wird ein Signal das nur die Drehzahl des Magneten 15 anzeigt, am Ausgangsanschluß 80 erzeugt bzw. abgegeben.

Der in den F i g. 1 und 2 dargestellte Elektromotor ist durch eine Antriebs- oder Ansteuerschaltung gemäß F i g. 5 antreibbar bzw. ansteuerbar. Da das Ausgangssignal der Drehzahlerfassungswäcklung 50 geringe Amplitude besitzt und amplituder.mc-^'jlierte Bestandteile enthält, wird es einem Transistor 82 und ?3 aufweisenden Differentialverstärker zugeführt und dadurch verstärkt, und wird ein Ausgangssignal am Kollektor des Transistors 83 über einen Kondensator 84 einem Entzerrungstransistor 85 zugeführt. Transistoren 85, 86 bilden einen Übersättigungsverstärker hoher Verstärkung, der die Sättigung eines angelegten Eingangssignals in ein Rechteckwellen-Signal verursach* und die

amplituuenmodulierten Bestandteile oder Komponenten beseitigt. F.in Ausgangssignal des Transistors 85 wird über ?inen Kondensator 87 an eine erste Tdiienzmultiplizierende Diode 88 angelegt, und ein Ausgangssignal des Transistors 86 wird über einen Kondensator 89 an eine zweite frequenzmultiplizierendc Diode 90 angelegt. Die Kondensatoren 87, 89 bilden zusammen mit Widerständen 91, 92 Differenzicrschaltungen zum Umwandeln der Rechteckwellen-Ausgangssignale der Transistoren 85, 86 in Impulssignale, die durch die Dioden 88, 89 hindurchtreten und miteinander addiert werden zur Erzeugung eines Signals doppelter Frequenz, das dann einem ein Transistorpaar 93, 94 aufweisenden monostabilen Multivibrator ugeführt wird. Der Kollektor des Transistors 93 ist an die Basis des Transistors 94 über einen Kondensator 95 und eine Diode % angeschlossen, und der Kollektor des Transistors 94 ist an die Basis des Transistors 93 über einen Widerstand 97 angeschlossen, und die Basis d^ps Transistors 93 ist an eine negative VcrsorgungssriMinimg über einen Widerstand 98 angeschlossen. Wenn kein Trigger- oder Auslöscsignal an die Transistoren 93, 94 angelegt ist. ist der Transistor 93 gesperrt und ist der Transistor 94 leitend. We:in ein negatives Auslösesignal von außen angelegt ist. ist der Zustand umgekehrt, so daß der Transistor 93 leitet, wahrend der Transistor 94 gesoerri ist. und nach einem vorgegebenen Zeitintervall wird der Zustand wieder in den Ausgangszustand umgekehrt und in diesem Zustand stabilisiert. Wenn der Transistor 94 gesperrt ist. ist seine Koiiektorspannung hoch, was ein hohes Ausgangssignal ergibt. Das Ausgangssignal der Dioden 88. 90 wird den Transistoren 93, 94 als Auslösesignal zugeführt und jedesmal, wenn das Aiislösesignal angelegt wird, steigt die Kollektorspannung des Transistors 94 an. Das Ausgangssignal des Transistors 94 wird einem einen Widerstand 99 u^rid einen Kondensator 100 aufweisenden Tiefpaßfilter zugeführt, in dem es in eine Gleichspannung umgesetzt wird.

Die Größe der Gleichspannung nimmt zu. wenn der Transistor 94 pro Zeiteinheit häufiger gesperrt wird. und nimmt ab. wenn der Transistor 94 seltener gesperrt wird. Auf diese Weise ist die Frequenz des Ausgangssignals der Urehzahlerfassungswicklung 50 in eine Gleichspannung einer Größe umgesetzt, die groß ist. wenn die Frequenz hoch ist. und die klein ist. wenn die Frequenz niedrig ist. Die Spannung vom Tiefpaßfilter wird einem ersten Spannungsvergleichertran.sistor 101 zugeführt, während eine Bezugsspannung von einer eine Diode 103 und Widerstände 104 und 105 aufweisenden Bezugsspar lungsquelle einem zweiten Spannungsvergleichertransistor 102 zugeführt wird. Dir T^r;ir'%:Stoien 101, 102 vergleichen die beiden Spannungen und erzeugen eine Differer.zspannung am Kollektor des Transistors 102, die über eine einen Widerstand 106 und Kondensatoren 107, 108 aufweisenden Phasenvergieicherschaltung einem Transistor 109 zugeführt wird, in der sie gleichspannungsverstärkt wird. Der Emitterstrom des Transistors 109 wird an Eingangsanschlüsse der beiden Hallgeneratoren 54, 55 angelegt. Die Hallgeneratoren 54,55 erzeugen jtwr^;!s eine Austrsngsspannung proportional zur Stärke des angelegten bzw. ausgeübten Magnetfeldes und des durch sie fließenden Stroms. Die beiden I hlleeneratoTn 54, 55 sind nahe dem Aiiß^iuiniang des Magnets 15 angeordnet, wie das :> in F i £ 2 dargestellt ist. und ^;nncrhalb des Magnetfelds des Magnets 15. Die Feldverteilung des Magiets 15 ist nahe dem Außenumfang des Magnets 15 eine sinusförmige Verteilung. Folglich kann durch Anordnen der Hallgeneratoren 54, 55 innerhalb der sinusförmigen Verteilung eine sinusförmige Ausgangsspannung erzeugt weiden. Da die Hallgeneraloren 54, 55 in Winkelrichtung um 22,5' voneinander beabstandet sind, werden Ausgangsspannungen, deren Phasen sich um 90° voneinander unterscheiden, erzeugt. Die Ausgangsspannungen der Hallgencratorcn 54, 55 werden über Strombegrenzer, die jeweils Widerstände 110, 112, 115, 116 und jeweils Kondensatoren 111, 13, 114, 117 enthalten, jeweils .Spannungsverstärkertransistoren 118, 119, 120, 121 zugeführt, in denen sie verstärkt werden.

Das Ausgangsssignal des Transistors 119 wird den Basen eines ersten Paars von Anstcuerlransisto'-en 122, 123 und das Ausgangssigna! des Transistors 121 wird den Basen eines zweiten Paars von Ansie-iertransistoren 124, 125 zugeführt. Die beiden Paare der

:5 Ansteuertransistoren 122, 123, 124, 125 bilden ic veils Gegentakt-Lcistungsverstärkcr, und eine Ausgangsleistung vom Transistorpaar 122. 123 wird der einen Antriebsspule 26 z.jgcführt. während die Ausgangsleistung des Transistorpaares 124, 125 der anderen

jo Aniriebsspule 27 zugeführt wird.

Bei dieser Schaltung nimmt mit zunehmender Drehzahl des Magneten 15 die Frequenz des Ausgangssignals der Dreh/ahierfassungswicklung 50 und die Ausgangsspannupg des Tiefpaßfilters 99, 100 zu. Diese

!5 Spannung wird -iiit der Bezugsspannung verglichen und das Vergleichsergebnis wird dem Transistor 102 als negative Spannung entnommen, die die Lmitieispannung des Transistors 109 verringert, was eine Abnahme des den Hjllgeneratoren 54, 55 zugeführten Stroms

■in nach sich zieht. Folglich nimmt der Antriebsstrom, der den Antriebsspulen 26, 27 zugeführt wird. ab. um die Drehzahl des Magneten 15 herabzusetzen. Andererseits ist, wenn die Drehzahl des Magneten 15 niedrig hi. das Vergleichsausgangssignal aufgrund des Vergieicn.; mit der Bezugsspannimg positiv, was eine Zunahme des d·. ι Hallgeneratoren 54, 55 zugeführten Stroms nach sich zieht. Dadurch nimmt der Antriebsstrom für die Antriebsspulen 26, 27 zu und wird die Drehzahl des Magneten 15 erhöht. Auf diese Weise wird die Frequenz

5ii des Ausgangssignals de, Spannungserfassungswicklung 50 in eine Spannung umgesetzt, die die Antriebsströme steuert, um eine konstante Drehzahl des Magneten 15 aufrechtzuerhalten. Da die Antriebsströme von den beiden Hallgeneratoren 54, 55 erhalten werden und da sie Sinusströme sind, deren Phasen sich um 90° von einander unterscheiden, kann das Drehmoment des Magneten 15 auf einem konstanten Wert gehalten und

eine Änderung des Drehmoments beseitigt werden.

Die Erfindung wird nur in der Gesamtheit der Anspruchsmerkmale gesehen.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Elektromotor, mit einem mit einer Welle drehfest verbundenen Mehrpol-Scheibenmagneten mit mehreren innerhalb von über den Umfang verteilten Sektoren in axialer Richtung aufmagnetisierten Magnetpolpaaren, wobei die Magnetpole einander benachbarter Sektoren auf jeweils einer Oberfläche entgegengesetzte Polarität aufweisen, mit mindestens einem Paar von dem Mehrpol-Scheibenmagneten gegenüberliegenden Antriebsspulen mit Luftspalt vom Mehrpol-Scheibenmagneten in Achsrichtung der Welle, wobei jedes Paar Antriebsspulen mit mehreren Antriebsbereichen versehen ist, die mit den Magnetflüssen des Mehrpol-Scheibenmagneten verkettet sind, wobei jeder Antriebsbereich mit einem Antriebswechselstrom versorgt ist. zur Erzeugung eines Antriebs-Magnetfeldes, und wobei eine mäanderförmig gewundene, mehrere sich radial erstreckende und reihengeschaltete Leitungselemente aufweisende Drehzahlerfassungswickiung in dem Luftspalt angeordnet ist zur Erzeugung einer Spannung, welche eine erste Komponente mit einer Frequenz, die der Drehzahl des Mehrpol-Scheibenmagneten entspricht und eine zweite Komponente mit einer Frequenz und einer Amplitude, die jeweils der Änderung des Antriebs-Magnetflusses jedes Paars von Antriebsspulen entspricht, aufweist, dadurchgekennzeichnet,