DE2901000A1 - Kollektorlose gleichstrommaschine - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine kollektorlose Gleich-
• strommaschine gemäß Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.
• Eine derartige Gleichstrommaschine ist aus der DE - Auslegeschrift 12 66 865 bekannt, welche als Sensoren zur Erfassung der Rotorstellung Hallgeneratoren aufweist. Mittels einer Steuereinrichtung werden aus den Sensorsignalen Steuersignale zur nacheinander erfolgenden Ansteuerung der einzelnen Wicklungsstränge erzeugt. Hierbei wird die Drehrichtung des Rotors durch die Richtung des Steuerstromes der Hallgeneratoren vorgegeben, welche entweder an eine positive oder negative Spannungsquelle angeschlossen werden, so daß die Sensorsignale um 1800 el in der Phasenlage verschoben werden.
• Die Steuereinrichtung erzeugt in beiden Fällen bei den gleichen Rotorstellungen die jeweiligen Steuersignale, so daß j.eweils die Stromrichtung in den Wicklungssträngen umgekehrt werden muß. Zur Anderung der Drehrichtung werden also sowohl die Steuerströme der Hallgeneratoren umgepolt, als auch die Wicklungsstränge an eine positive oder negative Spantlungsquelle gelegt. Es ist r30tPit ein nicht l-nerhebnieltsr Schaltungsaufwand mit zwei Spannungsquellen sowie mit zwei teistungsendstufen für jeden Wicklungsstrang erforderlich.
• Darüber hinaus ist bei anderen Sensoren, beispielsweise bei induktiven Sensoren, eine Phasenverschiebung der Sensorsignale nicht ohne weiteres möglich.
• Der Erfindung-liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Gleichstrommaschine zu schaffen, für welche mit einfachen Mitteln die Richtung-des Drehsinns bzw. des Drehmomentes vorwählbar ist.
• Diese Aufgabe wird durch die im ersten Patentanspruch angegebenen Merkmale gelöst.
• Die Erfindung zeichnet sich besonders durch einen einfachen und kostengünstigen Aufbau aus, zumal keine Umpolung der Sensorsignale und der Wicklungsströme erforderlich ist. Die Vorgabe der Richtung des Drehsinns bzw Drehmoments erfolgt vielmehr direkt mittels der Steuereinrichtung, an welche ein entsprechendes Schaltsignal angelegt ist. Es wurden als Verknüpfungselemente bevorzugt zwei Gruppen von logischen Gattern vorgesehen, wobei mittels einer Schalteinrichtung wahlweise die Steuersignale der einen oder anderen Gruppe zur Ansteuerung der Wicklungsstränge dienen. Derartige Gatter sowie die insbesondere als integriertes Bauelement ausgebiNdete Schalteinrichtung ermöglichen eine einfache und kostengünstige Herstellung und ergeben eine hohe Funktionssicherheit.
• Darüber hinaus erfordert die Steuereinrichtung einen geringen Gewichts- und Raumbedarf, was im Hinblick auf eine Anwendung der Gleichstrommaschine in der Raumfahrttechnik von besonderer Bedeutung ist. Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen Fig. 1 - ein Prinzipschaltbild einer Gleichstrommaschine mit drei Wicklungssträngen und NOR-Gattern als Verknüpfungselemente, Fig. 2 - ein ähnliches Prinzipschaltbild wie in Fig. 1 dargestellt, jedoch mit AND-Gattern, Fig. 3 - eine Darstellung der Sensor- und Steuersignale einer Gleichstrommaschine gemäß Fig. 2.
• Gemäß Fig. 1 enthält die Gleichstrommaschine eine Statorwicklung mit N = 3 Strängen 1, 2, 3, deren Sternpunkt mit einer Spannungsquelle U3 verbunden ist. Die anderen Enden der Stränge 1, 2, 3 sind über die Kollektor-Emitter-Strecke von Schalttransistoren 4, 5, 6 mit Massepotential verbunden. Die Wicklungsstränge sind am Umfang des Stators der Maschine um jeweils 120° el versetzt angeordnet. Ein permanentmagnetischer Rotor 8 ist der Einfachheit halber mit nur einem Polpaar dargestellt, wobei durch den Pfeil 9 die Magnetisierungsrichtung dargestellt ist. In der Regel enthält die Maschine mehrere Polpaare und die Polpaarzahl ist entsprechend zu berucksichtigen, was nachfolgend durch Bezug auf die elektrischen Winkelgrade erfolgt. Die Maschine enthält Sensoren 11, 12, 13, durch welche die Position des Rotors 8 in Bezug auf die feste Position der Wicklungsstränge erfaßt wird. Die Sensoren 11, 12, 13 sind beispielsweise als induktive Sensoren ausgebildet und sie erzeugen jeweils 1800 el andauernde Positionssignale und zwar nacheinander nach jeweils 3600 el/N = 1200 el, wenn das mit dem Rotor 8 verbundene halbkreisförmige Rotorteil 10 vor den Sensoren steht. Anstelle induktiver Sensoren können auch andere Sensoren wie zum Beispiel optische Sensoren oder HalSgeneratoren vorgesehen werden. Den genannten Sensoren 11, 12, 13 sind Signalformungsstufen 14, 15, 16 nachgeschaltet, an deren Ausgänge die Sensorsignale A, B, C nach Jeweils 1200 el und zwar für eine Dauer von 1800 el auftreten. Es sei da-.
• rauf hingewiesen, daß aufgrund der angegebenen Anordnung der Sensoren 11, 12, 13 die Sensorsignale bei einer Drehung des Rotors 8 in Richtung des Pfeiles ta jeweils dann beginnen, wenn der zugeordnete Wicklungsstrang angesteuert werden muß. Den Signalformuigsstufen 14, 15, 16 sind Inverter 17, 18, 19 nachgeschaltet. Zur Erzeugung der Ansteuersignale für die Schalttransistoren 4, 5, 6 bzw.
• Wicklungsstränge 1, 2, 3 sind logische Verknüpfungselemente in Form von NOR-Gattern 21 bis 26 vorgesehen, welchen eine Schalteinrichtung und zwar ein integrierter Schaltkreis 27 nachgeschaltet ist. Es handelt sich hierbei um einen Schaltkreis vom Typ LS 54 257 (Multiplexer) der Firma Texas Instruments. Selbstverständlich können auch entsprechende andere Schalteinrichtungen vorgesehen werden. Entscheidend ist lediglich, daß-in Abhängigkeit eines Signales am Eingang 28 wahlweise die Steuersignale der ersten Gattergruppe 21, 22, 27 oder der zweiten Gattergruppe 24, 25, 26 an den Ausgängen 1Yy 2 Y, 3 Y zur Ansteuerung der Schalttransistoren 4, 5, 6 bzwv der Wicklungsstränge 1, 2, 3 anstehen. Auf die NOR-Gatter 21, 22, 23 werden jeweils das entsprechende negierte Sensorsignal sowie das nächstfolgende Sensorsignal geführt, so daß beispielsweise auf das NOR-Gatter 21, das negierte Sensorsignal A sowie das Sensorsignal B gelangt. Auf die NOR-Gatter 24, 25, 26 der zweiten Gruppe werden hingegen das entsprechende Sensorsignal sowie das negierte nächstfolgende Sensorsignal geführt, so daß beispielsweise auf das NOR-Gatter 24 das Sensorsignal A und das negierte Sensorsignal B gelangt. Anhand von Fig. 3 sollen weiter unten die Verknüpfungen eingehend erläutert werden.
• Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von dem gemäß Fig. 1 im wesentlichen dadurch, daß als Verknüpfungselemente AND-Gatter 31 bis 36 vorgesehen sind, wobei die Sensorsignale in geeigneter Weise verknüpft werden. Übereinstimmende Komponenten sind daher mit gleichen Bezugszeichen versehen bzw. der Einfachheit halber nicht mehr dargestellt. Hierbei wurde beispielsweise für die mit einem NOR-Gatter hergestellte Verknüpfung AVB die entsprechende Verknüpfung A + B gewählt. Entsprechendes gilt auch für die übrigen Gatter. So werden auf die AND-Gatter 31, 32, 33 der ersten Gruppe jeweils das entsprechende Sensorsignal geführt, so daß beispielsweise auf das AND-Gatter 31 das Sensorsignal A sowie das negierte Sensorsignal B gelangt. Auf die AND-Gatter 34, 35, 36 der zweiten Gruppe werden hingegen das entsprechende negierte Sensorsignal sowie das nächstfolgende Sensorsignal gefuhrt, so daß beispielsweise auf das AND-Gatter 34 das negierte Sensorsignal A sowie das Sensorsignal B gelangt. Die Steuersignale an den Eingängen 1 A bis 3 B des Schaltkreises 27 stimmen bei den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 1 und 2 miteinander überein.
• In Fig. 3 sind die Sensor- und Steuersignale bezogen auf die Winkelstallung csc des Rotors 8 dargeste'lt. Hierbei sind mit A, B, C die Sensorsignale der Sensoren 11, 12, 13 bezeichnet. Die Sensorsignale dauern für einen Winkel von 1800 el an und sind gegeneinander um jeweils 3600 el/N = 1200 ei versetzt. In der Mitte von Fig. 3 sind die an den Ausgängen der AND-Gatter 31, 32, 33 auftretenden Steuersignale A B + C sowie C + Ä angegeben. Es ist ersichtlich, daß die genannten Steuersignale jeweils über 120° el andauern und unmittelbar nacheinander auftreten. Aufgrund der angegebenen Zuordnung der Sensoren 11, 12, 13 bezüglich den Wicklungssträngen 1, 2, 3 ist sichergestellt, daß beispielsweise bei Auftreten des Steuersignales A + B der Strang 1 angesteuert wird und der Rotor 8 ein Drehmoment in Richtung des Pfeiles ,-z, also in Uhrzeigersinn, erfährt, Hierbei sei vorausgesetzt, daß aufgrund eines Signales am Eingang 28 mittels des Schaltkreises 27 die erste Gattergruppe 31, 32, 33 mit den Schalttransistoren 4, 5, 6 verbunden sind. Nach einer Rotordrehung von 120° el tritt das Steuersignal B + C auf und der Wicklungsstrang 2 wird angesteuert. Nach einer weiteren Rotordrehung im Uhrzeigersinn um 1200 el wird der Wicklungsstrang 3 angesteuert. Es ist ersichtlich, daß die Ansteuerung jedes Wicklungsstranges für genau 1200 el erfolgt, so daß auch ein weitgehend konstantes Drehmoment im Uhrzeigersinn erreicht wird.
• Wird nun das Signal am Eingang 28 gelöscht, so wird die zweite Gattergruppe 34, 35, 36 mit den Schalttransistoren 4, 5; 6 verbunden. Wie im unteren Teil von Fig. 3 dargestellt, sind die an den Ausgängen der AND-Gatter 34, 35, 36 auftretenden Steuersignale B + Ã, C + B, A + C gegenüber den Steuersignalen der ersten Gattergruppe um genau 1800 el versetzt. Hieraus ergibt sich, daß nunmehr auf dem Rotor 8 ein Drehmoment entgegen der Richtung des Pfeiles Cd, also entgegen dem Uhrzeigersinn, ausgeübt wird. Es ist somit mit einem äußerst geringen Schaltungsaufwand und nur in Abhängigkeit eines Signales am Eingang 28 die Umkehrung der Drehmomentrichtung durchführbar. Dies ist für die Anwendung der Maschine in einem Schwungrad zur Stabilisierung eines Raumfahrzeuges von besonderer Bedeutung, um in Abhängigkeit von Korrektursignalen entsprechende Drehmomente- bzw. Reaktionsmomente zu erhalten.
• Es ist ferner ersichtlich, daß in Abhängigkeit des Signales am Eingang 28 auch die Drehrichtung des Rotors 8 vorwählbar ist, da ja mit der Vorgabe der Drehmomentrichtung auch die Drehrichtung vorgegeben ist. Dreht sich der Rotor gegen den Uhrzeigersinn, so erscheinen die Sensorsignale in der Reihenfolge A? C, B und auch die Steuersignale erfolgen, wie aus dem unteren Teil von Fig. 3 entnehmbar ist, in der Reihenfolge B + A, A + C, C + B.
• Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, daß die Erfindung durch die Ausführungsbeispiele keinesfalls auf eine Maschine mit drei Wicklungssträngen beschränkt ist. Vielmehr umfaßt die Erfindung alle Maschinen mit einer Statorwicklung, welche N Wicklungsstränge aufweist, wobei N ganzzahlig und größer als eins ist, welche die angegebenen Merkmale aufweist.
• L e e r s e i t e

Claims (1)

1. Kollektorlose Gleichstrommaschine Patentansprüche 1. Kollektorlose Gleichstrommaschine, enthaltend eine Statorwicklung mit N-Strängen, wobei N ganzzahlig und größer als eins ist, Sensoren zur Erfassung der Stellung eines vorzugsweise permanentmagnetischen Rotors sowie eine Steuereinrichtung, mittels welcher aus den Signalen der Sensoren nacheinander nach jeweils 3600 el/N Arsteuersignale für die einzelnen Wicklungsstränge gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung für die Steuersignale (A, B, c) Verknüpfungselemente (21 bis 26; 31 bis 36) aufweist, welche in Abhängigkeit der vorwählbaren Richtung von Drehsinn bzw. Drehmoment für jeden der N-Wicklungs.stränge (1, 2, 3) wahlweise um 1800 el versetzte Ansteuersignale erzeugen., wobei die Reihenfolge der Ansteuersignale auf die vorgewählte Richtung abgestimmt ist Patentansprüche 2. Kollektorlose Gleichstrommaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (11, 12, 13) gegebenenfalls über geeignete Signalformungsstufen (14, 15, 16) 1800 el andauernde Signale liefern und daß die Sensoren Cit, 12, 13) derart auf dem Stator angeordnet sind, daß für eine der vorgewählten Richtungen die Signale jeweils dann beginnen, wenn jeweils einer der Wicklungsstränge (1, 2, 3) angesteuert werden soll.

   3. Kollektorlose Gleichstrommaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste und zweite Gruppe von insbesondere logischen Verknüpfungselementen (21, 22, 23; 31, 32, 33 bzw. 24, 25, 26; 34, 35, 36) vorgesehen ist und daß mittels einer Schalteinrichtung (27) wahlweise eine der genannten Gruppen mit den Wicklungssträngen (1, 2, 3) verbindbar ist.

   4. Kollektorlose Gleichstrommaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der vorzugsweise N = 3 Sensoren Cii, 12, 13) ein Inverter (17, 18, 19) nachgeschaltet ist und daß sowohl die Sensorsignale CA, B, C) als auch die invertierten Sensorsignale (, B, C) auf die Verknüpfungselemente (21 bis 26; 31 bis 36) geführt werden.

   Patentansprüche 5. - Kollektorlose Gleichstrommaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnett daß die Verknüpfungselemente als NOR-Gatter (21 bis 26) und/oder AND-Gatter (31 bis 36) ausgebildet sind.

   6. Kollektorlose Gleichstrommaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnetS daß jedem NOR-Gatter (21, 22, 23) der ersten Gruppe ein negiertes Sensorsignal (A, 3, C) sowie das nächstfolgende Sensorsignal (B, C, A) zugeführt wird und daß jedem NOR-Gatter (24, 25, 26) der zweiten Gruppe ein Sensorsignal (A, B, C) sowie das nächstfolgende negierte Sensorsignal (B, C, A) zugeführt wird.

   7. Kollektorlose Gleichstrommaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedem AND-Gatter (31, 32, 33) der ersten Gruppe ein Sensorsignal (A, B, C) sowie das nächstfolgende negierte Sensorsignal (B, C, A) zugeführt wird und daß jedem AND-Gatter (34, 35, 36) der zweiten Gruppe ein negiertes Sensorsignal (A, B, C) sowie das nächstfolgende Sensorsignal (B, C, A) zugeführt wird.

   8. Kollektorlose Gleichstrommaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verknüpfungselemente bzw. Gatter (21 bis 26; 31 bis 36) mit einem vorzugsweise integrierten Patentansprüche Schaltkreis (27) verbunden sind, und daß in Abhängigkeit eines Signals an einem Eingang (28) wahlweise die erste Gruppe (21, 22, 23; 31, 32, 33) oder die zweite Gruppe (24, 25, 26; 34, 35, 36) die Ansteuersignale für die Wicklungsstränge (1, 2, 3) liefert.

   9. Kollektorlose Gleichstrommaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Anwendung in einem Schwungrad zur Stabilisierung eines Raumfahrzeugs, wobei die Richtung vom Drehsinn bzw. Drehmoment von äußeren Signalen vorgegeben wird.