DE2835561C2 - Elektronisch kommutierender Motor - Google Patents
Elektronisch kommutierender MotorInfo
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- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
- H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
- H02P6/14—Electronic commutators
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- H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
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- H02P8/00—Arrangements for controlling dynamo-electric motors rotating step by step
- H02P8/02—Arrangements for controlling dynamo-electric motors rotating step by step specially adapted for single-phase or bi-pole stepper motors, e.g. watch-motors, clock-motors
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronisch kommutierenden Motor nach dem Oberbegriff des Anspruches
1.
Wenn Motoren aus einer Gleichspannungsquelle gespeist werden müssen, sind Mittel erforderlich, mit deren
Hilfe diese Gleichspannung über den Phasenwicklungen als Funktion der Rotorlage geschaltet wird, um
in dem Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor ein Drehfeld zu erzeugen. Bei elektronisch kommutierten
Motoren erfolgt dieses Schalten auf elektronischem Wege. Um die Rotorlage zu detektieren, werden oft
magnetfeldempfindliche Elemente, wie Hallgeneratoren, verwendet. Es versteht sich, daß diese Anwendung
von Sensoren ein Nachteil ist
Aus der US-PS 28 90 400 ist ein einphasiges rotierendes System bekannt, bei dem als Sensor eine Hilfsspule
verwendet wird. Die in dieser Spule induzierte Spannung wird einem Verstärker zugeführt, um, sobald sie
einen bestimmten Schwellwert überschreitet, einer Erregerspule einen Stromimpuls zuzuführen. Auch bei diesem
Motor ist es ein Nachteil, daß eine Hilfsspule erforderlich ist und daß der Motor mit kurzen Stromimpulsen
synchron mit der Rotorbewegung angetrieben wird.
Aus der dem Oberbegriff des Anspruches 1 zugrundeligenden US-PS 33 33 172 ist es darüber hinaus bekannt,
die in die Phasenwicklungen induzierte Spannung zur Festlegung des Kommutierungszeitpunktes zu benutzen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen elektronisch kommutierenden Motor zu schaffen, der mit einer Mindestanzahl
an Einzelteilen ausgeführt werden kann.
Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches
Durch diese Maßnahme ist kein zusätzlicher Detektor erforderlich. Die PhasenwicKiung selber wirkt hier
als Rotorlagendetektor. Dadurch, daß die Erregungsspannung für diese Phasenwicklung über eine Brücke
zugeführt wird, beeinflussen die Polarität und die Amplitude dieser Erregungsspannung die Detektion nicht.
Wenn ein Motor, bei dem die Induktivität der Phasenwicklung nicht vernachlässigbar ist, verwendet wird, soll
von der zweiten und der vierten Impedanz in der Brücke eine eine Induktivität enthalten. Da jedoch die Impedanz
der Phasenwicklung oft sehr temperaturempfindlich ist, können sich Probleme ergeben.
Eine Ausführungsform eines elektronisch kommutierenden Motors, wobei der Motor mindestens ein PoI-paar
mit asymmetrischen Luftspalten zwischen dem Stator und dem Rotor enthält und wobei jeder Pol dieses
Polpaares mit einer Wicklung versehen ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanzen einer der
zwei parallelen Zweige der Brückenschaltung Wicklungen des Motors sind.
Bei einem solchen Motor, der u. a. aus der DE-OS
14 38 569 bekannt ist, sind die in den beiden Wicklungen erzeugten rotations-elektromotorischen Kräfte zwar
gleichphasig, aber infolge der asymmetrischen Streufelder einander in bezug auf die Amplitude nicht genau
gleich. Dadurch tritt an den Eingängen des !Comparators ein meßbarer Spannungsunterschied auf, wodurch
!Commutation möglich wird. Auf diese Weise wird eine
zusätzliche 'nduktivität eingespart und es können die
beiden verbleibenden Impedanzen in der Brücke durch Widerstände gebildet werden. Mit einem Motor der genannten
Art zwei Widerständen und einem Komparator wird also mit einer Mindestanzahl an Einzelteilen ein
selbstkommutierender Motor erhalten.
Eine andere vorteilhafte Ausführungsform nach der Erfindung mit einem zweiphasigen Motor ist dadurch
geKennzeichnet, daß die Impedanzen der zwei Zweige
10
!5 Denn durch Inversion der Erregungsspannung ist diese
für Antriebe stets gerade falsch umgepolt, wodurch ein selbstsynchronisierendes Abbremsen herbeigeführt
wird.
Vorzugsweise ist diese Inversion dadurch ermöglicht, daß ein Kreuzschalter zwischen der Brückendiagonale
und den Eingängen des Komparators vorgesehen ist, mit dessen Hilfe die Verbindungen zwischen der Brükkendiagonale
und den Eingängen des Komparators untereinander verwechselt werden, so daß der Motor
selbstsynchronisierend abbremst.
Schrittmotoren werden für eine genaue Positionierung schrittweise erregt. Für eine schnelle Verschiebung
einer Last kann es erwünscht sein, den Motor kontinuierlich rotieren zu lassen. Dies kann mit Erfolg
dadurch erreicht werden, daß auf den Motor die erfindungsgemäßen Maßnahmen angewandt werden. Dabei
ist es vorteilhaft, daß Mittel vorgesehen sind, mit deren Hilfe unabhängig von der Spannung zwischen dem
der Brückenschaltung die zu den Phase.; gehörigen 20 zweiten und dem vierten Punkt die Erregungsspannung
Wicklungen enthalten. über der Brückenschaltung gesteuert wird.
Da die induzierten elektromotorischen Kräfte bei ei- Auf diese Weise ist die Selbstsynchronisierschaltung
nem Zweiphasenmotor einen gegenseitigen Phasenun- mit einer Schrittsteuerschaltung kombiniert
terschied aufweisen, kann auch hier Kommutation statt- Eine derartige Maßnahme kann dadurch näher gefinden und es werden dieselben Vorteile wie bei dem 25 kennzeichnet werden, daß ein Schalter vorgesehen ist zweitletzt genannten Ausführungsbeispiel erhalten. zur Unterbrechung der Verbindungen zwischen der
terschied aufweisen, kann auch hier Kommutation statt- Eine derartige Maßnahme kann dadurch näher gefinden und es werden dieselben Vorteile wie bei dem 25 kennzeichnet werden, daß ein Schalter vorgesehen ist zweitletzt genannten Ausführungsbeispiel erhalten. zur Unterbrechung der Verbindungen zwischen der
Eine weitere Ausführungsform eines elektronisch Brückendiagonale und den Eingängen des Komparators
kommutierenden Motors nach der Erfindung ist da- und zum Verbinden dieser Eingänge mit einer Steuerdurch
gekennzeichnet, daß der Motor ein Reluktanzmo- schaltung, die die Brückenschaltung unabhängig von der
tor ist und daß der genannte Komparator die Brücken- 30 Spannung über der Brückendiagonale steuert
schaltung derart erregt daß im eingeschwungenen Zu- Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der
schaltung derart erregt daß im eingeschwungenen Zu- Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der
stand eine Erregungsspannung über der Brücke vorhanden ist, wenn die Spannung über der Brückendiagonale
quer zu den parallelen Zweigen eine erste Polarität aufweist, und daß die Brücke im eingeschwungenen Zustand
unerregt ist, wenn die Spannung über dieser Brükkendiagonale eine zweite Polarität aufweist
Auf diese Weise sind die Maßnahmen nach der Erfindung auch bei Reluktanzmotoren anwendbar, die ja für
die Polarität der
sind.
sind.
Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 schematisch einen Einphasenmotor, Fig.2 Maßnahmen nach der Erfindung, auf einen
Motor nach F i g. 1 angewandt,
Fig.3a bis 3f einige Signalformen zur Erläuterung
Fig.3a bis 3f einige Signalformen zur Erläuterung
der F ig. 2,
F i g. 4 schematisch einen Einphasenmotor mit geteil-Erregungsspannung
unempfindlich 40 ter Wicklung und asymmetrischen Luftspalten,
Fig.5 die Maßnahmen nach der Erfindung auf den
Im unerregten Zustand wird bei Reluktanzmotoren Motor nach F i g. 4 angewandt,
keine Spannung in den Phasenwicklungen induziert, wo- F i g. 6 schematisch einen Zweiphasenmotor,
durch keine Kommutation stattfinden würde. Eine Maß- Fig. 7 die Maßnahmen nach der Erfindung, auf den
nähme zur Vermeidung dieses Problems ist dadurch ge- 45 Motor nach F i g. 6 angewandt,
kennzeichnet, daß die Brückenschaltung übe*" einen Ab- F i g. 8 ein Diagramm zur Erläuterung der F i g. 7,
leitwiderstand mit einem an Spannung liegenden Punkt
verbunden ist derart, daß die in die Brückenschaltung
aufgenommenen Phasenwicklungen einen Meßstrom
leitwiderstand mit einem an Spannung liegenden Punkt
verbunden ist derart, daß die in die Brückenschaltung
aufgenommenen Phasenwicklungen einen Meßstrom
50
empfangen, wenn die Brückenschaltung unerregt ist
Da die Induktivität der Phasenwicklung von der Rotorlage abhängig ist, wird vom genannten Meßstrom im
unerregten Zustand dennoch eine von der Rotorlage abhängige Spannung induziert, wodurch Kommutation
stattfinden kann.
Da die Kommutationszeitpunkte durch die in den Phasenwicklungen induzierten Spannungen bestimmt
werden und es wünschenswert sein kann, diese Zeitpunkte zu verschieben, ist es vorteilhaft daß der Komparator
eine Zeitverzögerungsschaltung enthält, mit de- ω ren Hilfe das genannte Ausgangssignal verzögert weitergeleitet
wird.
Dabei ist es günstig, daß die Zeitverzögerungsschaltung eine regelbare Zeitverzögerung bewirkt.
Weiter ist es vorteilhaft daß Schaltmittel vorgesehen sind, mit deren Hilfe die Polarität der Erregungsspannung
der Brückenschaltung invertiert wird, so daß der Motor selbstsynchronisierend abbremst.
Fig.9 eine Ausführungsform der Schaltung nach Fig. 7 im Detail,
Fig. 10 eine Ausführungsform der Schaltung nach F i g. 2 im Detail, und
Fig. 11 eine Maßnahme zur Anwendung in den Schaltungen nach den F i g. 2,5,7.8 und 9.
Fig. 1 zeigt in vereinfachter Form einen Einphasenmotor.
Dieser Motor enthält einen dauermagnetischen Rotor 1 mit einer Magnetisierung der angegebenen Art.
Der Stator enthält einen Magnetkreis 2. der von einer Spule 3 mit Anschlußklemmen 4 und 5 umgeben ist. Die
Lage des Rotors 1 in bezug auf den Stator wird durch einen Winkel φ dargestellt d. h. den Winkel zwischen
der radialen Magnetisierungsrichtung des Rolors und der Symmetrieachse 5 des Stators, wie in F i g. 1 gezeigt
ist
Die Statorspule 3 ist in einen Erregerkreis aufgenommei.,
der in Fig.2 dargestellt ist Dieser Kreis enthält eine Brückenschaltung mit zwei Parallelzweigen zwischen
Punkten 30 und 32. Der eine Zweig besteht aus der Reihenschaltung der Impedanzen Z\ und Zi und der
andere aus der Reihenschaltung einer Impedanz Zi und
der Statorspule 3. Der Verbindungspunkt 31 zwischen den Impedanzen Z\ und Zj ist mit einem invertierenden
Eingang 7 eines Komparators K verbunden, dessen nichtinvertierender Eingang 8 mit dem Verbindungspunkt 33 zwischen der Impedanz Z3 und der Statorspule
3 verbunden ist. Die Ausgangsspannung des Komparatcrs K wird über der Brücke z. B, dadurch angelegt, daß
ein Ausgang 9 des Komparators K mit dem Verbindungspunkt 30 zwischen den Impedanzen Z1 und Z3 und
der Verbindungspunkt 32 zwischen der Impedanz Z2 und der Statorspule 3 mit dem Erdungspunkt der Schaltung
verbunden ist Es ist auch möglich, die Brücke zwischen zwei komplementären Ausgängen eines Komparators
anzuordnen. Die Ausgangsspannung des Komparators kann, abhängig von den Spannungen an den Eingingen
7 und S, Werte nahezu gleich + Vs oder — V3
annehmen, wenn der Komparator mit diesen Spannungen gespeist wird.
Die Spannung über der Statorspule 3 kann in zwei Komponenten Em und Er aufgeteilt werden, wobei Em
die Spannung über der Statorspule 3 infolge der Impedanz Zm dieser Spule bei stillstehendem Rotor 1 und Er
die Spannung ist, die lediglich der Rotation des Rotors 1 zuzuschreiben ist. Diese Rotationsspannung Er ist bei
einem dauermagnetischen Rotor eine von diesem dauermagnetischen Rotor induzierte Spannung und bei einem
Reluktanzrotor die Spannung über der Spule 3, die dadurch erzeugt wird, daß die Induktivität dieser Spule
3 eine Komponente aufweist die von der Rotorlage abhängig ist Auch eine Kombination der beiden Rotationsspannungen
kann bei bestimmten Motortypen auftreten.
Wenn die Brücke bei stillstehendem Rotor im Gleichgewicht ist, d. h. wenn gilt daß
35
erscheint bei Rotation des Rotors die Rotationsspannung Er zwischen den Eingängen 7 und 8 des Komparators
K. Dabei sei bemerkt, daß Zn, bei einem Reluktanzmotor
derjenige Teil der Eigenimpedanz der Statorspule 3 ist der von der Rotorlage φ unabhängig ist
in Fig.3a ist die Rotorlage φ und in Fig.3b die
Rotationsspannung Er als Funktion dieses Winkels bei ciiiem sich in der ührzeigerrichtung drehenden Rotor i
aufgetragen. Diese Rotationsspannung hat dabei die in F i g. 2 mit dem Pfeil 10 angegebene Richtung. Für eine
positive Rotationsspannung Er ist also die Spannung am
Eingang 8 des Komparators K positiv gegenüber der Spannung am Eingang 7. Somit ist die Ausgangsspannung
V0 am Ausgang 9 nahezu gleich + V&. Diese Spannung
V0 ist in F i g. 3c dargestellt
Bei dieser positiven Spannung Er, d. h. für φ zwischen
0c und 180°, ist die Ausgangsspannung V0 des Komparaiors
positiv und hat das Statorfeld die in F i g. 1 mit dem Pfeil II angegebene Richtung. Dadurch wird sich
drr Rotor zu der stabilen Lage {p=180° weiterdrehen.
Molge der Geschwindigkeit des Rotors wird die Lage
φ ■= 180° passiert werden. Bei dieser Lage ändert sich die
Polarität der Rotationsspannung Er und somit der
Spannung V0, wodurch die Richtung des Statorfeldes
umgekehrt wird und der Rotor zu der nächstfolgenden stabilen Lage p>=360° getrieben wird. Auf diese Weise
ist a'so ein selbstkommutierender Gleichstrommotor erhalten.
Der Motor nach Fig. 1, der nach Fig.2 erregt ist
kasin sich sowohl in der Uhrzeigerrichtung als auch in
der dieser Richtung entgegengesetzten Richtung drehen. In beiden Fällen liefert eine Abweichung von der
Lage jp=O° eine positive Rotationsspannung Er und somit
eine positive Erregung V0. Der Motor kann sich
grundsätzlich mit jeder Drehzahl drehen und stellt sich in Abhängigkeit von der Belastung und der angelegten
Spannung ein.
Fi g. 3d zeigt den Strom Im durch die Spule 3. Da die
Motorimpedanz eine Induktivität enthält ist dies nicht ein rechteckförmiges Signal, wie die Spannung V0. Nach
der Kommutierung (j»=0°, 180°, 360°,...) ändert sich
der Motorstrom /exponentiell und die Nulldurchgänge des Motorstroms finden bei relativen Rotorlagen φ
statt die über einen Winkel g>o gegen die Rotorlagen φ
bei der Kommutierung der Spannung Vn verschoben sind. Der Fehlerwinkel gx>
ist der Drehzahl des Motors proportional und wird also vor allem bei hohen Drehzahlen
und bei Motoren mit einer verhältnismäßig großen Induktivität eine Rolle spielen. Der Einfluß dieser
Induktivität kann dadurch herabgesetzt werden, daß für die Impedanz Z3 ein Widerstand gewählt wird, dessen
Wert groß in bezug auf die durch die Induktivität der Statorspule 3 gebildete Impedanz bei der gewünschten
maximalen Drehzahl des Rotors ist, was jedoch mit einem verhältnismäßig großen Spannungsverlust einhergeht
was durch Anwendung von Stromsteuerung vermieden werden kann.
Der Einfluß des Fehlerwinkels g%>
kann an Hand der F i g. 3e erläutert werden. Diese Figur zeigt schematisch das Drehmoment das auf den Rotor 1 ausgeübt wird, als
Funktion der Rotorlage φ. Für φ^<φ<
180° ist der Motorstrom / und das Drehmoment positiv und für 0° <φ<φο ist der Motorstrom k und das Drehmoment
negativ. Für 180° <iP<350° ist diese Beziehung gerade
umgekehrt Dies hat zur Folge, daß für
η χ 180°<{P</2X 180°
mit/7 = 0,1,2,3,..,
mit/7 = 0,1,2,3,..,
das Drehmoment negativ ist so daß das mittlere Drehmoment pro Umdrehung bei einer bestimmten Drehzahl
infolge des Fehlerwinkels gsa niedriger als das
höchstmögliche Drehmoment (iz?o=O) bei dieser Drehzahl
ist
Fig.2 zeigt eine Maßnahme, durch die auf elektrischem
Wege der Fehlerwinkel jeo verkleinert wird. Dazu
wird ein Kondensator Czu der Impedanz Z2 parallelgeschaltet
Außerdem wird in der Brückenschaltung ein Ungleichgewicht V* angebracht derart, daß bei einer
positiven Brückenspannung V0 und stillstehendem Rotor
die Spannung zwischen dem Eingang 7 und dem Eingang 8 des Komparators K gleich + Vd ist Wenn die
Spannung V0 für φ< ψ\ (F i g. 3g) gleich — VB ist ist das
Ungleichgewicht Vr der Brücke gleich — V0-. Die Ausgangsspannung
des Komparators K schaltet dann zu + Vb, wenn die Rotationsspannung Er gleich — Va ist
(F i g. 3f und 3g). Ohne Kondensator C würde dann das Ungleichgewicht Vk gleich + Va werden und würde der
Komparator K. die Brückenspannung V0 wieder zu — Vb
und dann wieder zu + Va schalten. Die Brücke wird dann in Schwingung versetzt Dadurch, daß der Kondensator
C negativ aufgeladen ist wird das Ungleichgewicht Vfc beim Umschalten bei φ=gh stark negativ und
lädt sich dann exponentiell auf, bis das Ungleichgewicht VK gleich + Vaist Dadurch bleibt nach dem Umschalten
bei φ=ψ\ die Ausgangsspannung V0 des Komparators
K positiv. Ähnliches, aber in entgegengesetztem Sinne, ergibt sich bei g>=i80" + ^1. Durch diese Maßnahme
können also die Rotorwinkellagen, bei denen Kommu-
tation stattfindet, über einen Winkel ψ\ in negativer
Richtung verschoben werden, um den Fehlerwinkel φο
auszugleichen.
Die Zeitverzögerung zwischen den Nulldurchgängen des Motorstroms In, und der Spannung V0 ist nicht die
einzige Ursache des Fehlerwinkels g^. Die Rotationsspannung En (F i g. 3b) wird über einen aus der Statorspule
3 und der Impedanz Zj bestehenden Spannungsteiler
an den Komparatoreingang 8 angelegt. Infolge
der Induktivität in diesem Spannungsteiler tritt auch hier eine Zeitverzögerung auf, die nahezu gleich dem
Fehlerwinkel φο ist. Dieser Beitrag zu dem Fehlerwinkel
läßt sich dadurch vermeiden, daß für die Impedanz Z3
eine Impedanz gewählt wird, deren Zeitkonstante gleich der der Statorspule 3 ist.
Die an Hand der F i g. 1 und 2 beschriebene Motorsteuerung kann auch dadurch erfolgen, daß die Motorspule
3 und die Impedanz Z\ untereinander vertauscht werden. Statt eines !Comparators K kann ein Operationsverstärker
mit ungenügend großem Verstärkungsfaktor gewählt werden.
Wenn ein Zweiphasenmotor auf die erfindungsgemäße Weise erregt werden soll, können die zu diesen Phasen
gehörigen Spulen ia Reihe oder parallel an der Stelle der Statorspule 3 in der Schaltung nach F i g. 2 angeordnet
werden. Infolge dieser Reihen- oder Parallelanordnung verhält sich dieser Zweiphasenmotor dann wie
ein Einphasenmotor und Hefen ein pulsierendes Drehmoment
Es ist auch möglich, bei Mehrphasenmotoren jede gesonderte Phasenwicklung mit einer Schaltung
der in F i g. 2 dargestellten Art zu erregen. Der Motor verhält sich dann wie eine Anzahl einphasiger .Motoren
mit einer gemeinsamen Welle. Das Drehmoment als Funktion der Rotorlage φ ist dabei gleichmäßiger als bei
einem Einphasenmotor. Bei einem Zweiphasenmotor ist das Drehmoment als Funktion der Rotorlage jpdann die
Summe zweiter über 90° gegeneinander verschobener Drehmomentkurven nach F i g. 3e.
Bei Einphasenreluktanzmotoren ergibt sich das Problem, daß kein Unterschied zwischen positiven und negativen
Strömen besteht. Bei einer Rotationsspannung nach F i g. 3b müßte dann die Ausgangsspannung des
!Comparators K gleich + VB für 0°
< φ< 180° und gleich
0 V für 180°<£»<360° sein. Dies kann u.a. dadurch
erreicht werden, daß der Punkt 4 (F i g. 2) mit — Vb statt
mit Masse verbunden oder daß der Komparator K mit 0 Vund -τ- Vij gespeist wird.
Da für 18O°<07<36O° die Statorspule unerregt ist,
würde keine Rotationsspannung erzeugt werden, denn der Rotor eines Reluktanzmotors induziert keine Spannung
in der Statorspule. Dadurch würde der Komparator K die Brücke bei φ=360° nicht erregen. Daher soll
ein Meßstrom der Statorspule 3 zugeführt werden, was dadurch erfolgen kann, daß der positive Speisungsanschluß
+ Ve über einen Widerstand R mit der Brücke
verbunden wird, wie gestrichelt in F i g. 2 dargestellt ist.
Für die Impedanzen Zi und Z3 können Widerstände
gewählt werden. Die Impedanz Z2 soll dann eine Induktivität
enthalten. Dies kann in der Praxis zu Problemen führen, weil die Impedanz der Statorspule 3 stark variieren
kann, da die Temperatur des Motors stark ansteigen kann.
F i g. 4 zeigt einen einphasigen Synchronmotor mit in zv/ei Teile aufgeteilter Wicklung und asymmetrischen
Luftspalten zwischen dem Stator und dem Rotor. Ringsum das Statoreisen 2, das in der Nähe des Rotors 1 in
zwei Polen endet, die asymmetrische Luftspalte mit diesem Rotor bilden, sind zwei nahezu gleiche Wicklungen
3 und 3' angebracht Infolge dieser asymmetrischen Luftspalte nimmt der Rotor bei unerregten Statorspulen
3 und 3' diejenige Lage ein, bei der über das Statoreisen 2 der maximale Fluß des dauermagnetischen Rotors
t rückgekoppelt wird. Diese Lage bildet einen Winkel φν mit der Lage, die der Rotor bei erregtem Stator
einnimmt (Rotormagnetisierung in Richtung der Achse 6). Infolge dieser Asymmetrie läuft der Motor stets von
selbst bei Erregung der Spulen 3 und 3' an.
Da die Nulldurchgänge der in den Spulen 3 und 3' erzeugten rotations-elekiromotorischen Kräfte auftreten,
wenn der rückgekoppelte Rotorfluß maximal und minimal ist, treten die Nulldurchgänge auf, wenn die
Rotorlage gleich φ\ und g-\ + 180° ist.
Der Fluß des dauermagnetischen Rotors 1 fließt hauptsächlich über das Statoreisen 2 und erzeugt nahezu
gleiche Rotationsspannungen in den Spulen 3 und 3'. Ein Teil des Rotorflusses fließt jedoch über die Spulen 3
und 3' überbrückende Wege ab und trägt nicht zu den in den Spulen 3 und 3' induzierten rotations-elektromotorischen
Kräften bei. Dieser Streufluß ist infolge der asymmetrischen Luftspalte zu der Linie 12 nicht symmetrisch,
wodurch ein meßbarer Amplitudenunterschied zwischen den in den Spulen 3 und 3' erzeugten Rotationsspannungen
besteht.
Der Motor nach Fi g. 4 kann mit der Schaltung nach F i g. 5 erregt werden. Diese Schaltung ist grundsätzlich
gleich der Schaltung nach Fig.2. wobei die Impedanz Zz durch die Spule 3' des Motors gebildet wird. Die
beiden Motorteilspulen sind mit gleichem Wickelsinn aufgenommen, so daß Änderungen der Spannung am
Eingang 8 des Komparator K durch den genannten Unterschied rotationselektromotorischer Kräfte bestimmt
werden.
Wenn die Brücke nahezu im Gleichgewicht ist, erscheint der Unterschied zwischen den in den beiden
Teilspulen 3 und 3' erzeugten Rotationssapnnungen zwischen den Eingängen 7 und 8 des Komparators K.
Da dieser Unterschied ungleich Null ist, kann der Motor, gleich wie der Motor nach Fi g. 1, selbstkommutierend
rotieren, wobei die Kommutierung — wenigstens bei niedrigen Drehzahlen — bei dem genannten Winkel
φν stattfindet, bei dem die Nulldurchgänge beider Rotationsspannungen
und somit des Unterschiedes zwischen diesen Spannungen auftreten.
Die vorgenannten Temperaturkoeffizienten der Motorspulenimpedanzen
über hier keinen Einfluß aus, weil sich die Temperaturkoeffizienten beider Motorspulen 3,
3' in der Brücke nach F i g. 5 ausgleichen. Für die Impedanzen Zi und Zi können Widerstände gewählt werden.
Ein zusätzlicher, aber wichtiger Vorteil ist der, daß durch die Erregung gemäß der Erfindung der Einphasenmotor
nach Fig.4 eine Vorzugsrichtung aufweist
Dies läßt sich wie folgt erkennen. Nimmt der Rotor eine Anfangslage nach Fig.4 ein {φ—φν) und ist der Anfangserregungszustand
der Brücke derart, daß der Statorteil 21 einen Nordpol und der Statorteil 22 einen
" Südpol bildet, so wird der Rotor t in der Uhrzeigerrichtung angetrieben. Der Rotor wird infolge der aufgebauten
kinetischen Energie den Winkel $p=180° passieren
und sich über den Winkel φ= 180° + φνhinweg drehen,
wo Kommutation stattfindet Unter diesen Anfangsbedingungen wird dann der Rotor in der Uhrzeigerrichtung
anlaufen.
Nimmt der Rotor eine Anfangslage bei φ= φν+ 180°
ein und ist der Anfangserregungszustand der Brücke derart, daß der Statoneil 21 einen Nordpol und der
Statorteil 22 einen Südpol bildet oder sind die beiden
Anfangsbedingungen gerade umgekehrt, so wird der Rotor zu einer stabilen Lage {p=180° bzw. φ=0° in
einer der Uhrzeigerrichtung entgegengesetzten Richtung gezogen werden. Da beim Schwingen durch diese
Lage φ=\&0° bzw. ^=0° der Winkel φ=φν+180°
bzv/. φ=φν nicht erreicht wird, findet keine !Commutation
statt und wird der Rotor nicht anlaufen.
Auf obenbeschriebene Weise kann der Motor nach F i g. 4, wenn er nach F i g. 5 erregt ist, nur in einer Richtung
anlaufen. Um den Motor in allen Fällen in dieser Richtung anlaufen zu lassen, sind viele verfahren denkbar,
von denen zwei nachstehend beispielsweise be-ß schrieben werden.
Wie bei der Beschreibung der Funktion des Kondensators Cin der Schaltung nach Fig.2 bemerkt wurde,
kann mit Hilfe eines Ungleichgewichts die Brücke in einen unstabilen Zustand gebracht werden, wodurch die
Spannung über der Brücke zu schwingen beginnt Unter den richtigen Anfangsbedingungen wird der Rotor in
der richtigen Richtung anlaufen und wird eine Rotationsdifferenzspannung erzeugt werden. Wenn das Ungleichgewicht
genügend klein gewählt ist, wird bald diese Rotationsdifferenzspannung in bezug auf dieses Ungleichgewicht
vorherrschend sein und wird der Motor selbstkommutierend nach wie vor in der gewünschten
Richtung anlaufen. Wenn die Anfangsbedingungen gerade umgekehrt sind, wird infolge der Brückenschwingungen
der Rotor mit zunehmender Amplitude um die stabile Lage herum schwingen. Eine Schwingung in der
falschen Richtung hat keine Folgen und eine Schwingung in der gewünschten Richtung wird bald genügend
groß sein, um die gewünschte Kommutierung bei φ= φν
(oder φ=φν+\80α) stattfinden zu lassen, wonach der
Motor in der gewünschten Richtung selbstkommutierend weiterlaufen wird.
Eine zweite Möglichkeit ist, für die richtigen Anfangsbedingungen
zu sorgen. Wenn z. B. der Anfangszustand der Brücke stets derart ist, daß der Statorteil 21 einen
Nordpol und der Statorteil 22 einen Südpo! bildet, kann dadurch, daß der Brücke ein Spannungsimpuls aufgeprägt
wird, dessen Polarität der der Spannung über der Brücke entgegengesetzt ist und der dem Anfangszustand
entspricht und eine genügende Dauer aufweist, dafür gesorgt werden, daß der Rotor die Lage nach
F i g. 4 einnimmt. Bildet der Statorteil 21 einen Nordpol und der Teil 22 einen Südpol, wenn die Spannung am
Ausgang 9 des Komparators positiv ist, so kann z. B.
über einen (elektronischen) Schalter eine negative Spannung an die Brücke angelegt werden. Wenn der
Rotor eine Lage φ= 180° + φνeinnehmen würde, richtet
er sich in bezug auf diese negative Spannung auf die
dargestellte Lage {φ= φν)- Wenn dann die Brückenspannung
wenigstens kurzzeitig positiv gemacht wird, wird der Rotor anlaufen und nach wie vor selbstkommutierend
weiterlaufen. Auch mit Hilfe eines Dauermagnets ist es möglich, den Rotor stets in der Lage φ—φν stillstehen
zu lassen.
Der Motor nach F i g. 2, wenn er nach F i g. 5 erregt
ist, liefert einen sehr preiswerten und zuverlässigen selbstkommutierenden Motor. Nur zwei Widerstände
und ein Operationsverstärker sind genügend, um den Synchronmotor nach Fig.4 in einen selbstkommutierenden
Gleichstrommotor umzuwandeln, ohne daß Sensoren u. dgl. erforderlich sind.
Fig.6 zeigt schematisch einen Zweiphasenmotor.
Dieser Motor enthält einen ersten Statorteil mit einer Spule 2 und einem Rotor 1, der völlig dem Motor nach
F i g. 1 entspricht, wobei die Definition des Winkels φ
und des Wickelsinns dieselbe ist. Ein zweiter Statorteil 15 mit der Spule 3' ist über einen Winkel $ρ=90° gegen
den ersten Pol 2 verschoben. Die Spule 3' enthält Anschlußklemmen 13 und f 4.
F i g. 7 zeigt eine Erregungsschaltung für einen Motor nach Fig.6. Diese Erregungsschaltung entspricht der
nach Fig.2, mit der Maßgabe, daß die Impedanz Z3
durch die Spule 3' ersetzt ist wobei die Anschlußklemmen 13 und 14 mit dem nichtinvertierenden Eingang 8
ίο des Komparators K bzw. mit dem Ausgang 9 des Komparators
K verbunden sind. Der Wickelsinn ist dabei derart daß, wenn durch die Spule 3' ein Strom in einer in
F i g. 7 mit 17 angegebenen Richtung fließt, das erzeugte Feld eine Nord-Süd-Richtung hat die in F i g. 6 mit 16
■5 angegeben ist
Die Wirkung der Schaltung nach F i g. 7 wird an Hand der F i g. 8 näher erläutert Diese Figur zeigt ein Winkeldiagramm,
in dem die Rotorlage φ aufgetragen ist Es sind die Lagen φ=0" und $?=90° angegeben, die zugleich
die Richtung der Felder der Statorpole mit Spulen 3 bzw. 3' angeben. Weiter sind die Richtungen
{p=45°, 135°, 180°,225°,270° und315° dargestellt
Da die Spulen 3 und 3' in diesem Beispiel denselben Wickelsinn aufweisen und in Reihenanordnung von
demselben Strom durchflossen werden, verhält sich der Motor in bezug auf seine Erregung wie ein Einphasenmotor
mit einem Statorpol mit Spule bei ^=45°. Die idealen Kommutationswinkel sind dann φ= 45° und
{P=225°. Da die erzeugten Rotationsspannungen als Funktion der Rotorlage φ einen gegenseitigen Unterschied
von 90° aufweisen und die Schaltung nach F i g. 7 kommutiert, wenn beide Rotationsspannungen einander
gleich sind, findet, abgesehen von Zeitverzögerungen und Ungleichgewicht die Kommutierung bei φ—\Ζ5°
und 0?=315° statt Wenn die Schaltung bei diesen Winkeln
φ= 135° und jzj=315° kommutiert, kann der Motor
kein Drehmoment liefern. In der Praxis treten aber Zeit-
. Verzögerungen auf, z. B. weil es infolge von Selbstinduk-•
tion einige Zeit erfordert bevor der Strom in den Spulen 3 und 3' umgepolt ist Diese Zeitverzögerungen führen
zu einer Verschiebung φ$ des Kornrnutierungswinkels
und diese Verschiebung φα ist frequenzabhängig.
Für einen sich in der Uhrzeigerrichtung drehenden Rotor verschiebt sich dadurch der Kommutierungswinkel
zu der in Fig.8 angegebenen Linie 18, somit in Richtung des idealen Kommutierungswinkels, wodurch der
Rotor, der sich in dieser Richtung dreht ein mittleres positives Drehmoment liefern wird, während für einen
sich in der der Uhrzeigerrichtung entgegengesetzten
so Richtung drehenden Rotor sich dieser Kommutierungswinkel zu der Linie 19, somit in entgegengesetzter Richtung
verschiebt wodurch der Rotor, der sich in dieser Richtung dreht ein mittleres negatives Drehmoment
liefern wird. Der Motor, wenn er nach F i g. 7 erregt ist,
kann sich also nur in der Uhrzeigerrichtung drehen. Um diesen Motor stets in dieser Richtung anlaufen zu lassen,
können gleiche Maßnahmen wie bei der Schaltung nach F i g. 5 angewandt werden. Die Umkehr des Wickelsinnes
einer der beiden Spulen 3 und 3' hat eine Umkehr der Drehrichtung zur Folge.
Die Kommutierungswinkel können auch auf elektronischem Wege beeinflußt werden, z. B, derart daß bei
dem Motor nach Fig.6 mit einer Erregungsschaltung
nach F i g. 7 das Anlaufen erleichtert oder daß die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie
beeinflußt wird. Dies ist bei allen anderen möglichen Schaltungen nach der Erfindung
auch möglich. Dazu kann z. 8. das Ausgangssignal des Komparators K verzögert an die Brücke wei-
tergeleitet werden, ζ. B. dadurch, daß eine Zeitverzögerungsschaltung
20 (Fig.7) in den Ausgangskreis des Korr.parators K aufgenommen wird. Eine solche Verzögerungsschaltung
kann auf verschiedene Weise, gegebenenfalls einstellbar, ausgeführt werden.
F i g. 9 zeigt eine Erregungsschaltung nach F i g. 7 im Detail. Die Impedanz Zi ist einstellbar ausgeführt und
der Komparator besteht aus einem Operationsverstärker OA, dessen Ausgang einen Klasse B-Verstärker mit
Transistoren Γι und T2 und Einstellwiderständen Rt, R2
und A3, Ra steuert Der Ausgang des Klasse B-Verstärkers
bildet den Ausgang 9 des Komparators. Infolge der hohen Verstärkung des Operationsverstärkers OA
wirkt diese Kombination eines Operationsverstärkers und eines Klasse B-Verstärkers als Komparator und die
Ausgangsspannung wird am Ausgang 9 von + Vb zu — Vb geschaltet und umgekehrt, wenn die Signalspannung
zwischen den Eingängen 7 und 8 eine genügend große Amplitude aufweist
F i g. 10 zeigt eine Erregungsschaltung nach F i g. 2 im Detail. Die Schaltung enthält eine Brücke mit Motorspule
3 entsprechend Fig.2. Der Verbindungspunkt
zwischen den Impedanzen Zi und Z2 ist mit einer Speiseleitung
23 und der Verbindungspunkt zwischen der •Impedanz Z2 und der Motorspule 3 ist über einen
Schalttransistor T3 mit einer Speiseleitung 24 verbunden.
Die Spannung zwischen den Speiseleitungen 23 und 24 wird über einen Brückengleichrichter D 1 und
einen Glättungskondensator C2 dem Wechselstromnetz V3C entnommen, wobei die Speiseleitung 23 gegenüber
der Speiseleitung 24 positiv ist. Zwischen diesen Speiseleitungen 23 und 24 ist ein Spannungsteiler A5, Re mit
Glättungskondensator Ci für die Niederspannungsspeisung
eines Operationsverstärkers OA angeordnet, dessen Ausgang über den Widerstand Rw mit der Basis des
Schalttransistors Ti verbunden ist. Der Punkt zwischen
den Impedanzen Zi und Z^ ist über einen Spannungsteiler
/?7, R\o mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers
OA und der Punkt zwischen der Impedanz Zi und der Motorspule 3 ist über einen Spannungsteiler
Ra, Rg mit dem nichtinvertierenden Eingang verbunden. Der Operationsverstärker OA mit dem Schalttransistor
Ty bildet so den Komparator K.
Wenn die Spannung am Punkt 8 genügend positiv gegenüber der Spannung am Punkt 7 ist, steuert die
Ausgangsspannung des Operationsverstärkers OA den Transistor Ti in Sättigung und steht die Spannung zwischen
den Speiseleitungen 23 und 24 über der Brücke. Wenn die Spannung am Punkt 8 negativ gegenüber der
Spannung am Punkt 7 ist, wird der Transistor Ti nichtleitend
sein und die Brücke ist von der Speiseleitung 24 entkoppelt. Diese Erregungsweise wurde bei der Beschreibung
der F i g. 1,2 und 3 als für Reluktanzmotoren geeignet angegeben. In diesem Beispiel nach Fig. 10
wird diese Kommutierungsweise bei einem Dauermagnetmotor
verwende*. Symmetrische Kommutierung, z. B. zwischen + V8 und — V& führt zwar zu einem besseren
Motorlauf, aber erfordert eine symmetrische und dadurch komplexe Speisung. Für Anwendungen in z. B.
Haushaltsgeräten, wie Staubsaugern, ist ein regelmäßiger Lauf des Motors nicht die Hauptanforderung und ist
die einfache Speisung mit einer einzigen Gleichrichterbrücke und einem Kondensator viel wichtiger.
Die Induktivität Z3 kann durch eine Spule, aber auch
durch einen Gyrator gebildet werden, z. B. den Gyrator vom Typ Philips TCA 580, der mit einem Kondensator
abgeschlossen werden muß.
Die Erregungsschaltung nach der Erfindung eignet sich besonders gut zur Anwendung bei Schrittmotoren. Schrittmotoren werden schrittweise angetrieben, um genau eine bestimmte Verschiebung eines angetriebenen Gegenstandes zu bewirken, oder werden kontinuierlich angetrieben, um mit hoher Geschwindigkeit eine große Veischiebung dieses Gegenstandes zu bewirken. Für den kontinuierlichen Antrieb kann mit Erfolg die selbstsynchronisierende Erregungsschaltung nach der Erfindung verwendet werden. Für jede Phase eines solchen Schrittmotors kann dann eine Erregungsschaltung, z. B. nach Fi g. 1, verwendet werden. Für schrittweisen Antrieb ist es nur erforderlich, den Eingängen des Komparators Impulse zuzuführen, die in bezug auf die Rotationsspannung an diesen Eingängen vorherrschend sind, oder über Schalter diese Eingänge mit einem Impulsgeber statt mit der Brücke zu verbinden. Die letztere Möglichkeit ist in F i g. 11 dargestellt.
Die Erregungsschaltung nach der Erfindung eignet sich besonders gut zur Anwendung bei Schrittmotoren. Schrittmotoren werden schrittweise angetrieben, um genau eine bestimmte Verschiebung eines angetriebenen Gegenstandes zu bewirken, oder werden kontinuierlich angetrieben, um mit hoher Geschwindigkeit eine große Veischiebung dieses Gegenstandes zu bewirken. Für den kontinuierlichen Antrieb kann mit Erfolg die selbstsynchronisierende Erregungsschaltung nach der Erfindung verwendet werden. Für jede Phase eines solchen Schrittmotors kann dann eine Erregungsschaltung, z. B. nach Fi g. 1, verwendet werden. Für schrittweisen Antrieb ist es nur erforderlich, den Eingängen des Komparators Impulse zuzuführen, die in bezug auf die Rotationsspannung an diesen Eingängen vorherrschend sind, oder über Schalter diese Eingänge mit einem Impulsgeber statt mit der Brücke zu verbinden. Die letztere Möglichkeit ist in F i g. 11 dargestellt.
F i g. 11 zeigt eine Schaltung zum Ersatz der in den
F i g. 2,4,7,9 und 10 dargestellten direkten Verbindung
zwischen den Punkten 31 und 7 und den Punkten 32 und 8. Diese Schaltung enthält einen Doppelschalter S mit
drei Lagen Si, Si und 63. In der Lage S\ verbindet der
Schalter S die Punkte 7 und 8 mit einer Schaltung 25 für schrittweise Steuerurg. Diese Brücke ist dann von dem
Komparator entkoppelt, der von der Schaltung 25 gesteuert wird, um die Spannung über der Brücke zu
schalten. In der Lage S2 ergibt sich die in den F i g. 2,5,7,
8 und 9 dargestellte Situation und der Motor kann selbstsynchronisierend laufen. In der Lage S3 wird der
Punkt 31 mit dem Punkt 8 und der Punkt 33 mit dem Punkt 7 verbunden. In dieser Lage wird die Spannung
über der Brücke für Antrieb stets die falsche Polarität aufweisen. Der Motor wird dann selbstsynchronisierend
abgebremst.
Für die Erregung von Schrittmotoren gibt es Schaltungen, bei denen Impulse an den Eingang geliefert werden
sollen, um den Motor laufen zu lassen. Eine solche Schaltung kann mit Vorteil in Verbindung mit der Schaltung
nach der Erfindung dadurch angewendet werden, daß diese zwischen dem Komparator K und der Brücke
angeordnet wird.
Die Erregungsschaltungen nach der Erfindung können stets sowohl bei Dauermagnetmotoren als auch bei
Reluktanzmotoren Anwendung finden, wobei bei Reluktanzmotoren die Spulen stets erregt und unerregt
sein sollen, weil diese Motoren für die Richtung des Motorstroms unempfindlich sind. Dauermagnetmotoren
können gegebenenfalls auch auf diese Weise erregt werden.
Weiter ist es stets möglich, in der Brückenschaltung Elemente kreuzweise untereinander zu vertauschen. Bei
den Ausführungsbeispielen nach den F i g. 5 und 7 können z. B. die Spule 3' und die Impedanz Z2 untereinander
vertauscht werden.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
Claims (9)
1. Elektronisch kommutierender Motor, der zur Bestimmung des Kommutierungszeitpunktes den
zeitlichen Verlauf der in einer Phasenwicklung des Stators durch die Rotordrehung induzierte Spannung
benutzt, gekennzeichnet durch eine Brückenschaltung aus zwei parallelen Zweigen
(Knotenpunkte 30, .31, 32 bzw. 30, 33, 32), wobei jeder parallele Zweig aus zwei in Reihe geschaltenen
Impedanzen (Zi, Zi bzw. 3, Zi) besteht, wobei die
Brückendiagonale quer zu den parallelen Zweigen (Knotenpunkte 31,33) mit den Eingängen (7,8) eines
Komparator (K) verbunden ist, dessen Ausgang (9) mit dem Knotenpunkt (30) der Brückenschaltung
verbunden ist und wobei eine der Impedanzen der Brückenschaltung eine Wicklung (3) des Motors enthält
2. Elektronisch kommutierender Motor nach Anspruch 1, wobei der Motor mindestens ein Polpaar
((2Θ-, 21) mit asymmetrischen Luftspalten zwischen
dem Stator (2) und dem Rotor (1) enthält und wobei jeder Pol dieses Polpaares mit einer Wicklung (3,3')
versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanzen einer der zwei parallelen Zweige der Brükkenschaltung
Wicklungen (3,3') des Motors enthalten.
3. Elektronisch kommutierender Motor nach Anspruch 1, wobei der Motor zweiphasig ist, dadurch
gekennzeichnet, daß die Impedanzen der zwei Zweige der Brückenschaltung die zu den Phasen gehörigen
Wicklungen (3,3') enthalten.
4. Elektronisch komrfiutierender Motor nach einem
der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor ein Reluktanzmotor ist und
daß der genannte Komparator (K) die Brückenschaltung derart erregt, daß im eingeschwungenen
Zustand eine Erregerspannung über der Brücke vorhanden ist, wenn die Spannung über der Brückendiagonale
quer zu den parallelen Zweigen eine erste Polarität aufweist, und daß die Brücke im eingeschwungenen
Zustand unerregt ist, wenn die Spannung über dieser Brückendiagonale eine zweite Polarität
aufweist.
5. Elektronisch kommutierender Motor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenschaltung
über einen Ableitwiderstand mit einem an Spannung liegenden Punkt verbunden ist derart, daß
die in die Brückenschaltung aufgenommenen Wicklungen (3,3') einen Meßstrom empfangen, wenn die
Brückenschaltung unerregt ist.
6. Elektronisch kommutierender Motor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der Komparator (K) eine Zeitverzögerungsschaltung (20) enthält, mit deren Hilfe das genannte
Ausgangssignal (Ausgang 9) verzögert weitergeleitet wird.
7. Elektronisch kommutierender Motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitverzögerungsschaltung
(20) eine regelbare Zeitverzögerung bewirkt.
8. Elektronisch kommutierender Motor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Kreuzschalter (S) zwischen der Brückendiagonale und den Eingängen (7, 8) des
Komparator (K) vorgesehen ist, mit dessen Hilfe die Verbindungen zwischen der Brückendiagonale
und den Eingängen (7, 8) des Komparators (K) untereinander verwechselt werden, so daß der MotGr
selbstsynchronisierend abbremst.
9. Elektronisch kommutierender Motor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Schalter (S) vorgesehen ist zur Unterbrechung der Verbindungen zwischen der Brükkendiagonale
und den Eingängen (7, 8) des Komparators (K) und zum Verbinden dieser Eingänge (7,8)
mit einer Steuerschaltung (25), die die Brückenschaltung unabhängig von der Spannung über der Brükkendiagonale
steuert
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