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Steuerschaltung
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für einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor Die Erfindung
betrifft eine Steuerschaltung für einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor
mit wenigstens einem Hallgenerator.
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Bei einem solchen Motor wird die momentane Winkelstellung des vorzugsweise
permanentmagnetischen Rotors von wenigstens einem um den Rotor angebrachten Hall
generator detektiert, der abhängig von der Rotorstellungsdetektierung die Halbleitersteuerorgane
aktiviert, die in Serie mit je einer Statorwicklung des Motors für abwechselnde
Stromzuführung zu diesen Statorwicklungen sorgen, indem der Hallgenerator zwei Detektor-
Spannungsausgänge hat, die über Vorverstärker mit den Steuerelektroden der Halbleitersteuerorgane
verbunden sind, die wiederum zu zwei Statorwicklungen gehören und weiter Speisestromklemmen
für die Zuführung von Vorstrom zum Hallelement haben.
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Elektronisch kommutierte Gleichstrommotoren, die ohne mechanische
Kollektoren, also ohne Bürsten, arbeiten, zeichnen sich dadurch aus, daß sie fast
keine Wartung fordern, daß sie im wesentliehen geräuschlos bei verhältnismäßig niedriger
Betriebsspannung arbeiten und dass sie eine sehr lange Lebensdauer haben. Solche
Motoren haben in den letzten Jahren große Verbreitung als Antriebsmotoren in Bandgeräten,
Plattenspielern, EDV-Anlagen, elektronischen Registriergeräten u.a. gewonnen.
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In solchen Motoren geschieht die Kommutierung durch Detektierung der
Augenblickwinkelstellung eines permanentmagnetischen, z.B.
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zweipoligen Rotors mittels magnetfeld-empfindlicher Halbleiterorgane,
wie z.B. Hallgeneratoren, die um den Rotor mit einer gegenseitigen Winkelverschiebung
von z.B. 90°el. angebracht sind, und jeder Hallgenerator steuert selbst die Stromzuführung
zu zwei um 18 0 verschobenen Statorwicklungshälften, die jede an einem Ende in Serie
mit der Stromstrecke eines Halbleiter-Steuerorgans verbunden sind, wie z.B. einem
üblichen bipolaren Transistor, während
sämtliche Statorwicklungshälften
(oder -Teile) am entgegengesetzten Ende zu einem gemeinsamen Verbindungspunkt sternpunktartig
geführt sind.
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Das von jedem Hallgenerator abgegebene Spannungssignal, d.h. der Spannungsunterschied
zwischen den beiden Detektorspannungsausgängen, z.B. eines Hallgenerators, wird
zu jedem Zeitpunkt proportional dem Steuerstrom durch den Hallgenerator und der
magnetischen Induktion im Luftspalt des Motors sein. Durch stetigen Steuerstrom
werden Polarität und Grösse der Detektorspannung ein Ausdruck der momentanen Winkelstellung
der Rotorpole im Verhältnis zu den beiden Hallgeneratoren und dadurch im Verhältnis
zu den Statorwicklungen sein.
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Indem die beiden Detektorspannungsausgänge jedes Hallgenerators über
geeignete Vorverstärker mit den Steuerelektroden der beiden Halbleitersteuerorgane
und den Statorwicklungen verbunden sind, wird zu jedem Zeitpunkt nur einer dieser
beiden Statorwicklungen Strom zugeführt, während die zweite stromlos ist. Bei einem
zweipoligen Rotor mit vier Statorwicklungen und zwei um 900 gegenseitig versetzt
im Luftspalt angeordneten Hallgeneratoen wird den Statorwicklungen mit einer gegenseitigen
Phasenverschiebung von 900 Strom zugeführt.
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In Motoren der erwähnten Art ist die Umlaufsrichtung des Motors immer
durch die bei der Steuerung der beiden Hallgeneratoren festgelegte Kommutierungsreihenfolge
für die Statorwicklungen gegeben, da das Halbleitersteuerorgan jeder Statorwicklung
mit einem bestimmten Detektorspannungsausgang der Hallgeneratoren verbunden ist.
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Um eine Drehrichtungsänderung bei einem von Hallgeneratoren gesteuerten,
kollektorlosen Gleichstrommotor vornehmen zu können, ist in der deutschen Offenlegungsschrift
2 o30 663 eine Schaltungsanordnung vorgeschlagen. mittels derer die Stromrichtung
in den Statorwicklungen umgepolt wird, d.h. daß mit unveränderter Anordnung der
Halbleitersteuerorgane an die Hallgeneratoren eine Drehrichtungsänderung durch die
Veränderung der Kommutierungsreihenfolge erreicht wird.
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Eine solche Schaltungsanordnung wird jedoch im wesentlichen die Konstruktion
des Motors komplizieren und verteuern, insbesondere verschlechtern, da ein rein
mechanisches Schaltelement in einen Motor eingeführt wird, dessen Vorteil darin
liegt, daß man eben die übliche mechanische Kommutierung entbehren kann.
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In der US-Patentschrift 3 831 o72 ist ein anderer Vorschlag zur Drehrichtungsänderung
gezeigt. Dieser besteht im wesentlichen aus einer Brückenschaltung, wobei die vier
Elemente der Brückenschaltung Transistoren sind, die als Umschaltvorrichtung verwendet
werden. An der einen Diagonalen der Brückenschaltung liegt eine feste Speisespannung
und die Punkte der zweiten Diagonale verändern die an den beiden Hällgeneratoren
eines Motors anliegende Spannung. Durch die Aufsteuerung von zwei diametral sich
gegenüberliegenden Transistoren, während die zwei anderen gesperrt sind, werden
die Hal lgeneratoren mit Spannung versorgt.
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Durch Ansteuerung der Transistoren im entgegengesetzten Sinn kehrt
sich auch die an den Hallgeneratoren anliegende Spannung in ihrer Richtung um. Durch
die Sperrung aller Transistoren ist es möglich, die Spannungen an den Hall generatoren
zu entfernen.
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Um die Transistoren der Brückenschaltung zu steuern, sind zwei äußere
Steuerspannungen erforderlich, und man hat somit ein System, daS in drei Schaltstellungen
sein kann.
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Entsprechend der Ansteuerung wird der Motor sein Moment in Drehrichtung
und gegebener Größe entwickeln, wobei dies von der festen Spannung an den Hallgeneratoren
bestimmt ist. Beim Wechsel der Ansteuerung wird der Motor ein Moment in entgegengesetzter
Richtung, aber in gleicher Größe entwickeln, während im dritten Betriebszustand,
d.h. bei Sperrung aller Transistoren der Brücke, der Motor kein Moment entwickeln
wird.
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Die beschriebene Schaltungsanordnung hat den Vorteil, daß mit rein
elektronischen Mitteln der Wechsel der Drehrichtung erreicht wird wobei für die
Brückenschaltung nur Kleinleistungstransistoren notwendig sind. Wegen der zwei erforderlichen
Steuersignale für den Drehrichtungswechsel ist diese Schaltungsanordnung aber immer
noch recht kompliziert. Außerdem gibt die Schaltung keine Möglichkeit
für
eine stetige Variation des erzeugten Drehmoments des Motors für jede Drehrichtung,
was eine notwendige Anwendungsvoraussetzung für viele Servo-Systeme ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Motor mit elektronischer
Kommutierung in wesentlich einfacherer Weise die Drehrichtung zu ändern sowie eine
Möglichkeit für eine stetige Variation des erzeugten Drehmomentes des Motors zu
haben und daß beide Eigenschaften mit ein-und derselben Steuerspannung erreicht
werden.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung dadurch, daß
der Vorverstärker für jedes Halbleitersteuerorgan aus einem Differenzverstärker
mit zwei Eingängen besteht, die mit je einem Detektorspannungsausgang der Hallgeneratoren
wechselweise in der Art verbunden sind, daß jeder Detektorspannungsausgang zum Pluseingang
des einen und zum Minuseingang des anderen Differenzverstärkers führt und daß die
Speisespannung für die Hallgeneratoren aus einer festen Referenzspannung bzw. einer
veränderlichen Gleichspannung gewonnen wird, wobei die Variation der veränderlichen
Gleichspannung nach plus und minus über die feste Referenzspannung hinaus möglich
ist.
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Indem die Steuerschaltung nach der Erfindung in einfacher Weise die
Möglichkeit gibt, die Drehrichtung von der Richtung der an den Hallgeneratoren anliegenden
Spannung abzuleiten und deren Größe zu steuern, wird durch die gegebene Ankupplung
der Steuerelektrode jedes Halbleitersteuerorgan an beide Detektorspannungsausgänge
über einen Differenzverstärker erreicht, daß der Motor bei der gewählten Richtung
und Größe der Spannung am Hallgenerator ein Monent entsprechend der Größe der Spannung
in Drehrichtung entwickeln wird, proportional der Größe der anliegenden Spannung.
Durch Richtungswechsel der Spannung wird der Motor ein Moment in entgegengesetzter
Richtung proportional der Größe der Spannung entwickeln.
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Für einen Motor der üblichen Bauart mit einem zweipoligen Rotor1 vier
Statorwicklungen und mit zwei 900 versetzt angeordneten Hallgeneratoren muß die
Richtung der Spannung an beiden Hallgeneratoren (Jleichzeitig gewendet werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung unter Verwendung einer schematischen
Zeichnung erklärt: Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel und zwar die eine Hälfte
einer Steuerschaltung nach der Erfindung, Figur 2 zeigt ein vereinfachtes, äquivalentes
Schema für einen Hall generator, Figur 3 zeigt eine rein schematische Darstellung
eines Motors zur Erklärung der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Steuerkreisschaltung.
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Figur 1 zeigt schematisch die eine Hälfte eines Steuerkreises für
einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor von bekannter Anordnung für einen
in Figur 1 nicht gezeigten zweipoligen, permanentmagnetischen Rotor und vier Statorwicklungen,
die an einem Ende sternartig verbunden und an dem einen Pol einer Gleichstromquelle
VB angeschlossen sind, während im Luftspalt um den Rotor zwei Hallgeneratoren mit
einer gegenseitigen Winkelverschiebung von 900 angebracht sind.
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In Figur 1 sind nur der eine Hallgenerator 1 und die zwei zugehörigen
Statorwicklungen 2 und 3 gezeigt, die jede mit der Kollektor-Emitterstrecke eines
npn-Transistors 4 bzw. 5 in Serie geschaltet ist, dessen Emitter über einen Widerstand
6 bzw. 7 an den anderen Pol der Gleichstromquelle angeschlossen ist.
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Der Hallgenerator 1 hat zwei Speisestromklemmen 8 und 9, die nach
der Erfindung an einer festen Referenzspannung Vref oder gemäß einer vorteilhaften
Weiterbildung der Erfindung an einer veränderlichen Gleichstromquelle mit einem
Variationsgebiet über und unter diesem Referenzspannungswert Vref angeschlossen
sind. Im Ausführungsbeispiel der Figur 1 ist die Speisestromklemme 9 an den verschiebbaren
Abgriff eines Spannungsteilerwiderstandes lo angeschlossen, woran eine aufgeprägte
Spannung von 2 Yref liegt. Es wird hierdurch in einfacher Weise möglich,
die
Richtung des über die Speisestromklemmen 8 und 9 zugeführten Vorspannungsstroms
(im Folgenden Steuerstrom genannt) auf den Hallgenerator 1 umzukehren.
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Die Basiselektrode jedes npn-Transistors 4 bzw. 5 ist an den Ausgang
eines zugehörigen Differenzverstärkers 11 bzw.
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12 angeschlossen, welche jeweils einen Plus-und einen Minuseingang
haben, von denen der Pluseingang für den Differenzverstärker 11 und der Minuseingang
für den Differenzverstärker 12 über die Widerstände 13 bzw. 14 an den einen Detektorspannungsausgang
15 des Hallgenerators 1 angeschlossen sind, während der andere Detektorspannungsausgang
16 über die Widerstände 17 und 18 an den Minuseingang für den Differenzverstärker
11 und an den Pluseingang für den Differenzverstärker 12 angeschlossen ist. Der
Minuseingang jedes Differenzverstärkers ist außerdem über einen Vorspannungswiderstand
19 bzw. 20 mit den Emittern des npn-Transistors 4 bzw. 5 verbunden, dessen Basis
an den Ausgang des betreffenden Differenzverstärkers jeweils angeschlossen ist.
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Da jeder der Transistoren 4 bzw. 5 den Strom zu der jeweils angeschlossenen
Statorwicklung 2 bzw. 3 bei einer positiven Basisspannung durchläßt, geht ohne weiteres
daraus hervor, daß der Transistor 4 aktiviert (aufgesteuert) wird, wenn das Signal
am Detektorspannungsausgang 15 im Verhältnis zu dem Signal am Detektorspannungsausgang
16 positiv ist, während der Transistor 5 aktiviert wird, wenn das Signal auf dem
Detektorspannungsausgang 16 im Verhältnis zum Signal auf dem Detektorspannungsausgang
15 positiv ist.
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Figur 2 zeigt das Ersatzschaltbild des Hallgenerators 1 vorliegender
Anordnung in vereinfachter Form mit vier magnetfeldempfindlichen Widerständen R1-R4,
die in je einem Zweig einer Brückenschaltung liegen, deren Diagonalpunkte die Speisestromklemmen
8 und 9 des Hallgenerators und die Detektorspannungsausgänge 15 und 16 bilden.
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Die Wirkungsweise des Hall generators beruht darauf, daß,
wenn
der Generator einem magnetischen Fluß ausgesetzt wird, ein von der Flußrichtung
abhängiger Unterschied der Widerstandswerte der beiden Widerstände entsteht, die
zwischen einem Detektorspannungsausgang und den zwei Speisestromklemmen 8 und 9
verbunden sind, und dieser Widerstands-Wertunterschied wird entgegengesetztes Vorzeichen
in den beiden parallelen Brückenwegen haben, die zwischen den Speisestromklemmen
8 und 9 verlaufen, so daß, wenn z.B der Widerstand R1 bei gegebener Flußrichtung
größer ist als der Widerstand R2, gleichzeitig der Widerstand R2 entsprechend kleiner
als der Widerstand R4 sein wird. Für eine vorgegebene Richtung des Steuerstroms
zwischen den Speisestromklemmen 8 und 9 und einer vorgegebenen Flußrichtung wird
ein Spannungsunterschied zwischen den Detektorspannungsausgängen 15 und 16 entstehen.Für
die oben erwähnte Flußrichtung, wo die Widerstände R1 und R4 am größten sind, wird
somit der Ausgang 15 eine positive Spannung im Verhältnis zum Ausgang 16 haben.
Wird die Flußrichtung umgekehrt, wobei die Widerstände R2 und R3 die größeren Werte
annehmen, wird der Ausgang 16 eine positive Spannung im Verhältnis zum Ausgang 15
haben.
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Dadurch, daß der Hallgenerator im Luftspalt im Bereich des permanentmagnetischen
Rotors angebracht ist, wird die Flußeinwirkung in der einen oder der anderen Richtung
in denjenigen Winkelstellungen des Rotors am größten sein, wo einer seiner Pole
dem Hall generator gegenüberliegt. Wenn bei einer bestimmten Richtung des Steuerstroms
ein Nordpol auf den Hallgenerator wirkt, wird der Ausgang 15 eine positive Spannung
im Verhältnis zum Ausgang 16 haben, und wenn am Hallgenerator ein Südpol vorbeigeht,
wird umgekehrt der Ausgang 16 im Verhältnis zum Ausgang 15 eine positive Spannung
haben.
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Wird jetzt die Richtung des Steuerstroms durch den Hallgenerator 1
gewendet, wird das Verhältnis umgekehrt werden,
so daß der Ausgang
15 eine positive Spannung im Verhältnis zum Ausgang 16 beim Passieren eines Südpol
es hat und der Ausgang 16 eine positive Spannung im Verhältnis zum Ausgang 15 beim
Passieren eines Nordpols.
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Dadurch, daß eine positive Spannung am Ausgang 15 im Verhältnis zum
Ausgang 16 in Figur 1 eine Aktivierung des Transistors 4 mit sich bringt, während
eine positive Spannung am Ausgang 16 im Verhältnis zum Ausgang 15 eine Aktivierung
des Transistors 5 ergibt, ist ersichtlich, daß eine bestimmte Flußrichtungbei einer
vorgegebenen Richtung des Steuerstroms durch den Hallgenerator 1 einer Aktivierung
des Transistors 4 und der dazugehörigen Statorwicklung 2 führt, während es bei entgegengesetzter
Richtung des Steuerstroms zur Aktivierung (Aufsteuerung) des zweiten Transistors
5 und der dazugehörigen Statorwicklung 3 kommt.
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Weiter ist ersichtlich, daß für eine gegebene Rotorposition der Kollektor-Emitterstrom
in dem aufgesteuerten Transistor (und damit der Strom in der mit dem Transistor
verbundenen Statorwicklung) dem Spannungsunterschied zwischen den beiden Detektorspannungsausgängen
des Hallgenerators und damit auch dem Spannungsunterschied zwischen der festen und
veränderlichen Speisespannung am Hallgenerator proportional sein wird.
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Figur 3 Wird jetzt, wie erwähnt, ein einfacher Motor mit einem 2-poligen
Rotor, vier Statorteilwicklungen und zwei gegenseitig um 9o° verschobenen Hallgeneratoren
betrachtet, so wie es Figur 3 schematisch zeigt, mit dem Rotor 21, dem Nordpol N
und dem Südpol S, mit den Statorwicklungen 22 bis 25, die hier als einzelne, längs
des Rotorumfangs sich erstreckende Leiter mit einer gegenseitigen Versetzung von
900 dargestellt sind, sowie mit den Hallgeneratoren 26 und 27, die den Statorwicklungen
25 bzw. 22 gegenüber angebracht sind, so ist bei dieser Anordnung die Steuerschaltung
so beschaffen, daß der Hallgenerator 26
die Wicklungen 22 und 23
steuert und der Hallgenerator 27 die Wicklungen 24 und 25 (die Winkelangaben sind
jeweils in elektrischen Graden zu verstehen).
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Der Steuerkreis wird so eingerichtet sein, daß der Hallgenerator 26,
wenn der Nordpol N die Statorwicklung 25 passiert, Strom zur Statorwicklung 22 leitet,
wodurch diese den Nordpol N des Rotors anziehen und den Südpol S abstoßen wird und
der Rotor im Gegenuhrzeigersinn sich zu drehen beginnt. Wenn sich der Nordpol N
hiernach der Wicklung 22 gegenüber befindet, wird der Hallgenerator 27 die Stromzuführung
zur Wicklung 23 öffnen, wodurch diese den Nordpol N anziehen und den Südpol S abstoßen
wird. Bei weiterer Drehung des Rotors wird sich der Südpol S der Wicklung 25 gegenüberstellen,
wo der Hallgenerator 26 die Stromzuführung zur Wicklung 24 öffnen wird, und entsprechend
wird der Haligenerator 27 die Stromzuführung zur Wicklung 25 öffnen, wenn sich der
Südpol S während der fortgesetzten Drehung der Wicklung 22 gegenüber befindet.
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Die Kommutierungsreihenfolge für die Statorwicklungsteile werden somit
in dieser Situation: 22 - 23 - 24 - 25.
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Wird jetzt die Richtung der Steuerströme durch beide Hallgeneratoren
26 und 27 dadurch umgekehrt, daß die veränderliche Speisespannung am Hallgeneratb
auf die entgegengesetzte Seite der festen 'Speisespannung gelegt wird> wird die
Lage des Nordpols N, der Wicklung 25 gegenüber, anstelle der Aufsteuerung der Stromzuführung
zur Wicklung 22 die Stromzuführung zur Wicklung 24 bringen, wodurch der Rotor 21
anfangen wird, im Uhrzeigersinn zu drehen. Der Nordpol N wird sich hiernach der
Wicklung 24 gegenüberstellen (entsprechend der Südpol S der Wicklung 22 gegenüber),
was jedoch jetzt im Unterschied zu vorher nicht die Stromzuführung zu der Wicklung
25 bedeutet, sondern Aktivierung der Stromzuführung zuder Wicklung 23 mit sich bringt,
und so weiter, so daß die Kommutierungsreihenfolge für die Statorwicklungen nunmehr
24 - 23 - 22 - 25 wird.
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Mit der erfindungsgemäßen Steuerschaltung wird also ermöglicht, daß
der betreffende Motor ein stetig veränderbares Moment entwickelt, dessen Größe und
Richtung - proportional dem vorzeichenbehafteten Spannungsunterschied - zwischen
einer veränderlichen und einer festen (Referenz)-Speisespannung am Hallgenerator
ist.
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Die Steuerschaltung nach der Erfindung ist zwar an einem einfachen
Motor mit nur einem Pol paar des Rotors und vier einzelnen Statorteilwicklungsspulen
beschrieben. Jedoch läßt sich die Erfindung auch in Verbindung mit einem Motor mit
einer größeren Anzahl von Rotorpolpaaren und einer größeren Anzahl von Wicklungsteilespulen
im Stator, wo zwi Hallgeneratoren mit einer gegenseitigen Winkelverschiebung in
der Größe des halben Winkelabstandes zwischen einem Nordpol und dem nächsten Südpol
des Rotors am Stator angeordnet sind, vorteilhaft anwenden.
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Die Anwendung der Erfindung ist jedoch nicht auf Motoren der bisher
geschilderten Bauart begrenzt, sondern ist auch bei Motoren möglich, die nur einen
Hallgenerator und zwei Statorwicklungen in Verbindung mit einem exzentrischen Rotor
(d.t.. einen ungleichförmigen Luftspalt) haben, dessen Funktion auf der Nutzung
einer örtlichen Feldstärke-Konzentration beruht. Solche Motoren sind in den deutschen
Offenlegungsschriften 22 25 442, 23 46 380 u.a. beschrieben.
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So läßt sich eine elegante Drehzahl reduzierung in den Stillstand
wie.auch ein Umsteuern kollektorloser Gleichstrommotoren vorteilhaft realisieren.
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L e e r s e i t e