DE3916870C2 - - Google Patents
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- DE3916870C2 DE3916870C2 DE3916870A DE3916870A DE3916870C2 DE 3916870 C2 DE3916870 C2 DE 3916870C2 DE 3916870 A DE3916870 A DE 3916870A DE 3916870 A DE3916870 A DE 3916870A DE 3916870 C2 DE3916870 C2 DE 3916870C2
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- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K29/00—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices
- H02K29/06—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with position sensing devices
-
- H—ELECTRICITY
- 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
- H02P25/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
- H02P25/02—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the kind of motor
- H02P25/022—Synchronous motors
- H02P25/03—Synchronous motors with brushless excitation
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
Description
Gegenstand des Patents ist eine dynamoelektrische
Maschine, insbesondere eine mehrsträngige, n-polige
Drehfeldmaschine zum motorischen oder generatorischen
Einsatz, mit einem feststehenden Ständer, der mit einer
der Zahl der Stränge und der Pole entsprechenden Anzahl
von Polspulen versehen ist, die als Gegentaktspulen
ausgebildet sind, deren gemeinsame Mittelanzapfung mit dem
einen Pol der Speisespannung und deren Spulenenden über je
ein Schaltglied mit dem anderen Pol der Speisespannung in
Verbindung stehen und die bei entsprechender
Strombeaufschlagung in ihrer Gesamtheit ein magnetisches
Drehfeld erzeugen, sowie mit einem im Bereich des
Drehfeldes und koaxial zum Ständer angeordneten, gegenüber
dem Ständer drehbar gelagerten Läufer, der als
Dauermagnetläufer oder als zumindest eine Erregerspule
aufweisendes Klauen- oder Schenkelpolrad ausgebildet ist,
wobei die Erregerspule über die Schleifringe mit
Gleichstrom gespeist wird, ferner mit einem
Leistungsstellglied zur Spannungs-/Stromwandlung für die
Drehzahlregelung der Maschine, sowie mit einer
Kommutierungsschaltung, die die Stromrichtung in den
einzelnen Polspulen der jeweiligen Drehstellung und
Drehrichtung des Läufers entsprechend umschaltet, wobei
zur Spannungs-/Stromwandlung und zur Kommutierung des
Stromflusses in der bzw. den Polspulen eine gemeinsame,
von den Schaltgliedern gebildete
Ankerstrom-Speisespannung vorgesehen ist und die
Schaltglieder entsprechend der gewünschten
Stromflußrichtung und dem erforderlichen mittleren Strom
getaktet ein- bzw. ausgeschaltet werden, ferner mit einem
Drehstellungsgeber, der die momentane Drehstellung des
Läufers angibt sowie die Signale zur Kommutierung erzeugt,
und mit einem Stromsensor, der den bei eingeschaltetem
Schaltglied fließenden Strom erfaßt, wobei der Stromsensor
von einem Hallgenerator gebildet ist, der im Luftspalt
zwischen Ständer und Läufer angeordnet ist und die
Magnetfeldstärke induktiv erfaßt, wobei ferner jeder
Drehstellungsgeber zwei zueinander komplementäre
Ausgangsspannungen abgibt, deren Polarität jeweils durch
die augenblickliche Drehstellung des Läufers bestimmt ist,
wobei ferner die vom Hallgenerator abgegebene, dem
Stromfluß proportionale Signalspannung in ihrer Polarität
durch die Feldrichtung und die Polarität der den Strompfad
des Hallgenerators speisenden komplementären
Ausgangsspannung des zugeordneten Drehstellungsgebers
bestimmt ist und wobei aus einem Vergleich des Signals des
Hallgenerators mit einem Sollwert die zur getakteten
Stromregelung erforderlichen Ansteuersignale für die
Schaltglieder gebildet werden.
Aus der DE 29 49 017 C2 ist eine Schaltungsanordnung bekannt,
die zum Steuern des Antriebs- und Bremsstroms eines
bürstenlosen Gleichstrommotors dient. Diese
Schaltungsanordnung weist zwei Ständerwicklungen auf, die
nach Art der Hälften einer Bifilarwicklung aufgebracht
sind, wobei der Verbindungspunkt der beiden Hälften der
Bifilarwicklung der gemeinsame Anschluß der
Ständerwicklungen ist. Der Strom durch die Ständerwicklung
wird über Transistoren pulsartig geschaltet, deren gemeinsamer
Emitterwiderstand zur Strommessung dient. Dies ist insbesondere
im höheren Leistungsbereich äußerst unwirtschaftlich, da
der Emitterwiderstand bei höheren Strömen erhebliche
Verluste verursacht. Dies hat eine drastische Reduzierung
des Wirkungsgrades der Maschine zur Folge.
Aus der DE 34 35 303 A1 ist eine dynamoelektrische
Maschine mit einem Synchronmotor und einer dazu gehörigen
Regeleinheit bekannt. Im einzelnen weist dieser
Synchronmotor einerseits einen Rotorstellungsdetektor und
andererseits einen Drehzahldetektor auf. Das Signal des
Drehzahldetektors wird als Istwert mit dem Sollwert der
Drehzahlvorgabe verknüpft, woraus eine Steuergröße für die
Höhe des Ankerstroms gebildet wird. Aus diesem Signal
werden gemeinsam mit dem Rotorstellungsdetektor für die
drei Ankerwicklungen getrennte Stromsignale gebildet, die
schließlich dem die Wicklungen mit Strom speisenden
Leistungsteil zugeführt werden. Das Leistungsteil versorgt
die Wicklungen mit einem sinusförmigen Strom, wobei die
Phasenlage des Stroms durch die drei Wicklungen jeweils um
120° verschoben ist.
Nachteilig bei der Ansteuerung eines Motors mit
sinusförmiger Spannung ist, daß der Motor auf den
Scheitelwert des Stromes ausgelegt werden muß, um
Sättigungen zu vermeiden. Die erreichbare Leistung dagegen
bestimmt sich aus dem Effektivwert. Dies ergibt im
Ergebnis ein ungünstiges Leistungs-/Volumenverhältnis.
Darüber hinaus führt die sinusförmige Ansteuerung zu einer
weiteren Verminderung des Wirkungsgrades, da hierbei,
unabhängig von der Art ihrer Erzeugung, stets Wirkverluste
auftreten.
Die DE 35 90 166 T1 beschreibt einen Synchronmotor, bei
dem zur Ansteuerung das Prinzip der Pulsweitenmodulation
angewandt wird. Über die Pulsweitenmodulation wird eine
treppenförmige Nachbildung eines Sinussignals vorgenommen.
Damit ergibt sich auch hier der Nachteil, daß die Maschine
bei sinusförmiger Anregung bezüglich des Eisens wieder auf
den Scheitelwert angepaßt werden muß, woraus sich ein
ungünstiges Leistungs-/Volumenverhältnis ergibt. Zudem
werden die einzelnen Wicklungen nicht aus der vollen
Versorgungsspannung gespeist, da der Standardsynchronmotor
in Halbbrückenschaltung mit einem virtuellen Sternpunkt
für Sinusbetrieb ausgelegt ist.
Aus der EP 01 38 000 A1 ist eine elektrische
Mehrphasenmaschine bekannt, bei der unter Verwendung von
MOS-Transistoren als steuerbare Halbleiter zur
Kommutierung einer Arbeitswicklung je zwei in Gegenphase
zueinander speisbare und magnetisch eng miteinander
gekoppelte Wicklungsstränge vorgesehen sind, wobei zum
Strom-Freilauf des gerade abgeschalteten Wicklungsstranges
der Strompfad über die Inversdiode des MOS-Transistors für
den Wicklungsstrang geführt wird, der mit dem gerade
abgeschalteten Wicklungsstrang magnetisch eng gekoppelt
ist.
Die Wicklung befindet sich auf Polschuhen des Ständers.
In der DE 23 17 502 B2 ist ein Polradlagegeber als
Stellungsdetektor bei Stromrichtermaschinen synchroner
Bauart beschrieben. Im einzelnen besteht der
Polradlagegeber sowohl aus optoelektrischen wie aus
magnetischen Abtastsystemen und einer Rasterscheibe, die
einerseits mit Permanentpolen für die magnetischen
Abtaster sowie mit einem aus Schlitzen bestehenden Grob-
und Feinraster für die optoelektrischen Abtaster versehen
ist.
Bei dem aus der US 42 49 116 bekannten Stellungsdetektor
wird die Drehstellung des Läufers über eine mit
Aussparungen versehene Scheibe ermittelt, wobei die Lage
der Aussparungen durch Gabellichtschranken erfaßt wird.
Der in der DE 29 15 987 A1 beschriebene Servoantrieb weist
einen Polradlagegeber auf, der von zwei magnetisch nicht
leitfähigen Scheiben gebildet ist, deren Randbereiche
berührungslos in Schlitze von aus ferromagnetischem
Material bestehenden Eisenkernen eingreifen. Auf den
Eisenkernen sind Hochfrequenzspulen befestigt, die Teile
von Schwingkreisen bilden und je nach Eingrifftiefe der
Scheibenrandbereiche ein proportionales Hochfrequenzsignal
abgeben.
Der Artikel von W. Nürnberg "Die Prüfung elektrischer
Maschinen", Springer Verlag, 1959, erwähnt auf den Seiten
385 und 420, daß zu einer nahezu verlustfreien Messung von
sehr hohen Strömen Hallsonden eingesetzt werden können.
Vorzugsweise befindet sich dabei der Hallgenerator im
Spalt eines Stromjochs.
Aus der DE 32 14 569 A1 ist es
bekannt, einen Hallgenerator im
Magnetfeld der Maschine anzuordnen,
um durch Multiplikation von Feld
stärke und Ankerstrom das Drehmoment
zu bestimmen.
In der DE 34 28 032 A1 ist eine Nutzbremse für einen
Gleichstrom-Fahrmotor beschrieben, bei der die
kinetische Energie des Systems bei gleichzeitiger
Einhaltung einer geforderten Bremsverzögerung in das Netz
zurückgespeist werden kann. Die Berücksichtigung der
Feldschwächung erfolgt hier über einen Tachogenerator,
dessen mit abnehmender Drehzahl sinkende Tachospannung von
einem Funktionsgenerator so umgeformt wird, daß von der
Nenndrehzahl bis zur Drehzahl Null am Ausgang des
Funktionsgenerators das Signal Null ansteht und im Bereich
zwischen maximaler und Nenndrehzahl entsprechend der
Maschinencharakteristik ein beliebiger, gewünschter,
weitgehend proportionaler Signalverlauf gebildet wird.
Ausgehend von diesem Stand der Technik löst der eingangs
beschriebene Gegenstand des Patents die der Erfindung
zugrunde liegende Aufgabe, eine dynamoelektrische Maschine
für hohe Leistungen so auszulegen, daß unter Ausnutzung
der Vorteile der bekannten Maschinen die Verluste bei der
Ermittlung des Ständerstroms bei gleichzeitig geringem
Schaltungsaufwand niedrig gehalten werden, so daß
insgesamt ein hoher Wirkungsgrad erreicht wird.
Der sich durch die Erfindung ergebende Vorteil besteht im
wesentlichen darin, daß bei äußerst kompakten Abmessungen
der erfindungsgemäßen dynamoelektrischen Maschine ein
außergewöhnlich hoher Wirkungsgrad erreicht wird. Da die
Ansteuerung der Wicklungen mit pulsartig geschaltetem
Gleichstrom erfolgt, ist der Maximalwert des Stromes
gleich seinem Effektivwert. Dies erlaubt es, mit einer
geringen Eisenmasse auszukommen. Darüber hinaus liegt die
jeweils mit Strom beaufschlagte Wicklung über lediglich
ein einziges Schaltglied - von Dämpfungsmittel abgesehen
- unmittelbar an den beiden Polen der Versorgungsspannung,
so daß elektrische Verluste auf dem niedrigstmöglichen
Wert gehalten werden.
Durch die Anordnung der Hallsensoren im Bereich der
Wicklungen wird das Ankerrückwirkungsfeld miterfaßt, so
daß die Kommutation lastabhängig nachgestellt wird. Bei
den bisher bekannten Maschinen wird dagegen für die
lastabhängige Nachstellung der Kommutation ein spezieller
Phasenspeicher benötigt. Im übrigen werden das Erreger-
und das Ankerfeld und im Ergebnis die Feldrückwirkung
unmittelbar mit erfaßt, wodurch der Steueraufwand zum
Betrieb der Maschine im Bereich des maximalen
Wirkungsgrades gering gehalten wird.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß das
Ausgangssignal des Hall-Generators direkt zu einem
Vergleich mit einem der Leistungseinstellung dienenden
Sollwert herangezogen werden kann, obwohl das
Spannungssignal des Hallsensors entsprechend der laufend
sich umkehrenden Feldrichtung alterniert. Hierzu gibt
jeder Drehstellungsgeber zwei zueinander komplementäre
Ausgangsspannungen ab, deren Polarität jeweils durch die
augenblickliche Drehstellung des Läufers bestimmt ist,
wobei die komplementären Ausgangsspannungen den Strompfad
des Hallgenerators speisen. Somit geht eine Umpolung des
Stromflusses im Strompfad des Hallgenerators im
wesentlichen mit einem Wechsel der magnetischen
Feldrichtung einher. Schließlich ist es von Vorteil, daß
die Messung des Stroms in den Polspulen nicht über im
Laststromkreis liegende Widerstände erfolgt, wodurch eine
Erhöhung des Wirkungsgrades erreicht und eine Auslegung
für höhere Leistungen ermöglicht wird.
In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung ist das
Schaltglied von einem schnell schaltenden
Halbleiterbauelement gebildet. Dabei empfiehlt sich
besonders, daß das Schaltglied von einem
Leistungs-Feldeffekt-Transistor gebildet ist, insbesondere von
einem MOS-Leistungstransistor. Hierdurch lassen sich die
Schaltfrequenzen erheblich erhöhen, so daß auf große
Glättungsdrosseln verzichtet werden kann. Dadurch wird
weiter ein großes Drehzahlverhältnis von etwa 1 : 7 bis 1 : 9
erreicht, da die hohe Schaltfrequenz größere
Grenzdrehzahlen zuläßt, ohne bei niedriger Drehzahl eine
Leistungseinbuße zu bewirken.
Die Gegentaktspulen sind zweckmäßigerweise als bifilare
Wicklung ausgebildet, um dabei je nach strombeaufschlagter
Spulenhälfte einen weitgehend gleichen, aber
entgegengesetzten Feldverlauf zu erreichen.
Zur Verminderung von elektromagnetischen Störungen kann
die Mittelanzapfung an den positiven Spannungspol über
eine LC-Dämpfungsbeschaltung angeschlossen sein.
Der Drehstellungsgeber ist im Rahmen der Erfindung von
einer der Zahl der Stränge entsprechenden Anzahl von
Abtastern gebildet, die die Information einer mit dem
Läufer drehfesten Kodierscheibe abtasten. Dabei kann der
Drehstellungsgeber von einer der Zahl der Stränge
entsprechenden Anzahl von Magnetfeldsensoren gebildet
sein, die die Position der Pole des Läufers erfassen.
Ebenso besteht aber auch die ebenfalls vorteilhafte
Möglichkeit, daß die Abtaster als optoelektronische
Lichtschranken ausgebildet sind, die die auf der
Kodierscheibe in digitaler Form angebrachten Informationen
erfassen.
In besonders einfacher Ausgestaltung bestehen die
Informationen der Kodierscheibe aus äquidistanten,
gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordneten und
jeweils abwechselnden logischen Ein- bzw. Aus-Zuständen,
wobei die paarweise Anzahl der Ein- und Aus-Zustände der
Polzahl des Läufers entspricht und wobei die Abtaster um
einen festen axialen Drehwinkel gegeneinander verschoben
sind, der sich aus dem Quotienten von 360° und dem Produkt
aus der Anzahl der Pole und der Anzahl der Stränge ergibt.
Dies bedeutet, daß die Abtaster in elektrischer Hinsicht
entsprechend der Anzahl der Stränge gleichmäßig über den
vollen Phasenwinkel von 360° verteilt angeordnet sind.
Darüber hinaus besteht jedoch, insbesondere bei räumlich
beengten Verhältnissen, die Möglichkeit, daß jeder der
Abtaster zusätzlich um einen Drehwinkel von einem
ganzzahligen Vielfachen des von zwei benachbarten Polen
aufgespannten Winkels versetzt angeordnet ist.
In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung ist zum
Vergleich der Hallspannung mit dem von einem Vorgabewert
des Fahrstellers gebildeten Sollwert ein Komparator
vorgesehen, durch welchen bei Unterschreiten des Sollwertes
das zugehörige Schaltglied geöffnet und bei Überschreiten
des Sollwerts das Schaltglied geschlossen wird. Dabei hat
es sich als günstig erwiesen, wenn der Komparator als
Schmitt-Trigger mit einer Schalthysterese von ca. 5%
beschaltet ist.
Weiter sieht die Erfindung in vorteilhafter Weiterbildung
vor, daß dem Ausgang des Komparators je ein
Leistungstreiber zur Ansteuerung der beiden an die
Gegentaktspulen angeschlossenen Schaltglieder
nachgeschaltet ist, wobei die beiden Leistungstreiber mit
einem Sperreingang versehen sind, in die die zueinander
komplementären Ausgangsspannungen des Drehstellungsgebers
eingespeist werden.
In weiter zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist
vorgesehen, daß die Speisung der Erregerspule des Läufers
über ein Regelglied erfolgt, durch das die Erregerspule
mit einem sich zur Drehzahl des Läufers reziprok ändernden
Strom gespeist wird. Hierzu kann das Regelglied einen
Spannungsrampengenerator mit konstanter
Spannungsanstiegsgeschwindigkeit aufweisen, dessen
zeitlich gemitteltes Ausgangssignal eine proportionale
Sollgröße für den Strom durch die Erregerspule bildet,
wobei die Spannungsrampe von kurzen Rücksetzimpulsen der
Abtaster jeweils in ihre Startbedingung zurückgesetzt wird
und die Rücksetzimpulse jeweils bei einem Signalwechsel an
den Abtastern ausgelöst werden.
Um bei niedrigen Drehzahlen ein konstantes,
drehzahlunabhängiges Drehmoment zu erreichen, ist die
Anstiegsgeschwindigkeit des Spannungsrampengenerators so
gewählt, daß dessen Ausgangsspannung unterhalb einer
festgelegten Läuferdrehzahl einen festen Maximalwert
erreicht.
Weiter kann die Länge des Rücksetzimpulses so groß gewählt
sein, daß eine stärker als lineare Abnahme des gemittelten
Ausgangssignals des Spannungsrampengenerators mit
steigender Drehzahl des Läufers auftritt. Bei den üblichen
Schaltzeiten der Schaltglieder kann der Rücksetzimpuls
eine Dauer von etwa 65 Mikrosekunden besitzen. Dadurch
wird erreicht, daß bei hohen Drehzahlen die Gegenspannung
sinkt und dadurch der durch die Streuinduktion
verursachte, begrenzte Stromanstieg in den Statorspulen am
Kommutationspunkt beschleunigt wird.
Schließlich werden zweckmäßigerweise der Strom durch
die Erregerspule von einem Schalter taktweise gesteuert
und der Schalter von einem weiteren Komparator geöffnet, wenn der
durch die Erregerspule fließende, an einem
Stromfühlerwiderstand gemessene Strom kleiner ist als die
von dem zeitlich gemittelten Ausgangssignal des
Spannungsrampengenerators gebildete Sollgröße.
Dem weiteren Komparator kann hierbei ein Verzögerungsglied
nachgeschaltet sein, das ein Wiedereinschalten des Stroms
durch die Erregerspule erst nach Ablauf einer
Verzögerungszeit ermöglicht. Als günstig hat sich
erwiesen, wenn die Verzögerungszeit 11 ms beträgt, da der
Erregerstrom in dieser Zeit etwa um 10% seines jeweiligen
Wertes abgefallen ist.
Im folgenden wird die Erfindung an einem in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert; es
zeigen:
Fig. 1 eine dynamoelektrische Maschine in einer
Ausführungsform mit einem Schenkelpolrad,
teilweise im Schnitt dargestellt,
Fig. 2 eine dynamoelektrische Maschine in einer
Ausführungsform mit einem Klauenpolrad,
Fig. 3 eine nur ausschnittsweise Detaildarstellung eines
32-poligen und 3-strängigen Ständers mit einem als
Schenkelpolrad ausgebildeten Läufer in Draufsicht,
Fig. 4 ein Klauenpolrad einer 16-poligen Maschine in der
Teilfig. a in Draufsicht, in Teilfig. b im Schnitt
und in Teilfig. c in der Ansicht IV nach Teilfig.
a,
Fig. 5 einen Stromlaufplan der Statorsteuerung,
Fig. 6 einen Stromlaufplan des Regelkreises,
Fig. 7 ein Zeitdiagramm u.a. des Stroms in den
Polspulen,
Fig. 8 ein Zeitdiagramm u.a. der Ansteuersignale für die
Schaltglieder,
Fig. 9 ein Zeitdiagramm u.a. des Erregerstroms im
Läufer,
Fig. 10 ein Diagramm über die Abhängigkeit des Drehmoments
von der Drehzahl.
Die in der Zeichnung dargestellte dynamoelektrische
Maschine ist sowohl für den motorischen wie auch den
generatorischen Betrieb einsetzbar und als mehrsträngige,
n-polige Drehfeldmaschine ausgebildet. In den Fig. 1 bis 4
sind zwei mögliche Ausführungsformen dargestellt, die sich
im wesentlichen dadurch unterscheiden, daß der Läufer 1 im
einen Fall von einem Klauenpolrad (Fig. 4) und im anderen
Fall von einem Schenkelpolrad (Fig. 3) gebildet ist.
Ebenso besteht grundsätzlich auch die Möglichkeit, den
Läufer 1 als Dauermagnetläufer auszubilden. Der
feststehende Ständer 2 ist mit einer der Zahl der Stränge
und der Pole 3 entsprechenden Anzahl von in der Zeichnung
nur angedeuteten Polspulen 4 versehen, die bei
entsprechender Strombeaufschlagung in ihrer Gesamtheit ein
magnetisches Drehfeld erzeugen. Dieses Drehfeld erzeugt
auf das statische Feld des Läufers 1 ein entsprechendes
Moment, wodurch der Läufer 1 in Drehung versetzt wird.
Besteht der Läufer 1 aus einem Klauenpolrad gemäß Fig. 4,
so besitzen sämtliche Pole eine gemeinsame
Erregerspule 5, die in dem mit 6 angedeuteten Wickelraum
eingebracht ist. Ist der Läufer 1 dagegen als
Schenkelpolrad gemäß Fig. 3 ausgebildet, so besteht die
Erregerspule aus mehreren, der Anzahl der Pole 3
entsprechenden Einzelspulen 7, die dann parallel oder in
Reihe geschaltet sein können.
Die Speisung der Erregerspule 5 erfolgt über an der
Welle 8 befestigte Schleifringe 9 mit Gleichstrom.
Zum Betrieb der Maschine ist zunächst eine
Kommutierungsschaltung erforderlich, die die Stromrichtung
in den einzelnen Polspulen 4 der jeweiligen Drehstellung
und Drehrichtung des Läufers 1 entsprechend umschaltet,
also für eine Weiterschaltung des Feldes in Drehrichtung
sorgt. Weiter bedarf es für die Drehzahlregelung der
Maschine eines Leistungsstellgliedes, das die Polspulen 4
mit dem jeweils benötigten Strom speist bzw. eine Änderung
der Versorgungsspannung bewirkt.
Wie sich insbesondere aus dem Stromlaufplan nach Fig. 5 ergibt
in dem im folgenden allein auf den obersten der drei
Ständerzweige Bezug genommen wird, ist zur Spannungs-/
Stromwandlung und zur Kommutierung des Stromflusses in
der bzw. den mit L101 bezeichneten Polspulen 4 ein
einziges gemeinsames Schaltglied T101, T102 vorgesehen,
das entsprechend der gewünschten Stromflußrichtung und
dem erforderlichen mittleren Strom getaktet ein- bzw.
ausgeschaltet wird. Durch die Zusammenfassung der
Leistungsregelung einerseits und der Kommutierung, d. h.
des reinen Schaltvorgangs andererseits in einem einzigen
Schaltglied T101, T102 lassen sich die Schalt- und
Durchlaßverluste deutlich verringern.
Für die Ermittlung des richtigen Kommutierungszeitpunktes
sind einerseits Drehstellungsgeber LED101, IC103
vorgesehen, die die Drehstellung des Läufers 1 gegenüber
dem Ständer 2 ermitteln, andererseits Stromsensoren HG
101, die den bei eingeschaltetem Schaltglied T101, T102
fließenden Strom erfassen. Dabei dient das Signal des
Stromsensors HG101 gleichzeitig zur Leistungsregelung, so
daß eine nach der Kommutierungsvorschrift an sich mit
Strom zu beaufschlagende Polspule 4, L101 kurzzeitig
abgeschaltet werden kann, wenn die zugeführte Leistung
einen vorgegebenen Sollwert überschreitet. Aus den
Signalen des Drehstellungsgebers LED101, IC103 und des
Stromsensors HG101 werden also die zur Kommutierung und
getakteten Stromregelung erforderlichen Ansteuersignale
für das Schaltglied T101, T102 gebildet.
Um die Maschine auch bei hohen Polzahlen mit großer
Drehzahl betreiben zu können, muß das Schaltglied T101, T102
von einem schnell schaltenden Halbleiterbauelement
gebildet sein. Hierzu bieten sich insbes.
Leistungs-Feldeffekt-Transistoren, vorzugsweise
MOS-Transistoren an, wie sie in der Fig. 5 dargestellt
sind.
Die Polspulen 4 sind, wie ebenfalls aus Fig. 5
ersichtlich,
als Gegentaktspulen ausgebildet, wobei die gemeinsame
Mittelanzapfung mit dem positiven Pol UB der
Speisespannung und die Spulenenden jeweils über ein
Schaltglied T101, T102 mit dem negativen Pol der
Speisespannung in Verbindung stehen. Diese Gegentaktspulen
sind als bifilare Wicklungen ausgebildet. Durch den
Gegentaktbetrieb besteht die Möglichkeit, die Maschine aus
einer einfachen, unipolaren Spannungsversorgung zu
speisen, wie sie etwa bei Batteriebetrieb gegeben ist. Zur
Dämpfung von Störungen ist die Mittelanzapfung über eine
LC-Dämpfungsbeschaltung L104, C101 am positiven
Spannungspol UB angeschlossen.
Der Drehstellungsgeber LED101, IC103 ist von einer der
Zahl der Stränge entsprechenden Anzahl von Abtastern
gebildet, die die Information einer mit dem Läufer 1
drehfesten Codierscheibe 10 abtasten. Diese Abtaster
können entweder von Magnetfeldsensoren gebildet sein, die
die Position der Pole des Läufers erfassen. In Fig. 1 sind
die Abtaster dagegen als optoelektronische
Lichtschranken 11 ausgebildet, die die auf der
Codierscheibe 10 in digitaler Form angebrachten
Informationen erfassen. Diese Informationen bestehen im
einzelnen aus äquidistanten, gleichmäßig über den Umfang
verteilt angeordneten und jeweils abwechselnden logischen
Ein- bzw. Aus-Zuständen. Dabei entspricht die paarweise
Anzahl der Ein- und Aus-Zustände der Polzahl des
Läufers 1. Die einzelnen Abtaster sind um einen festen
axialen Drehwinkel gegeneinander verschoben, der sich aus
dem Quotienten von 360° und dem Produkt aus der Anzahl der
Pole und der Anzahl der Stränge ergibt. Damit liefert
jeder Abtaster ein symmetrisches Rechtecksignal, wobei die
Anzahl der Perioden des Rechtecksignals bei einer
Umdrehung des Läufers 1 genau der Anzahl der Pole 3 der
Maschine entspricht. Die Signale der Abtaster
untereinander sind dagegen um gleiche Phasenwinkel
gegeneinander verschoben, bei einer 3-strängigen Maschine
also um 120°. Dabei kommt es nicht darauf an, an welchem
der Pole 3 die Abtaster im einzelnen angeordnet sind. Sie
können also jeweils um einen Drehwinkel von einem
ganzzahligen Vielfachen des von zwei benachbarten Polen 3
aufgespannten Winkels versetzt angeordnet sein.
Die Abtaster des Drehstellungsgebers LED101, IC103 geben
zwei zueinander komplementäre Ausgangsspannungen ab, deren
Polarität jeweils durch die augenblicklich abgetastete
Information der Codierscheibe 10 bestimmt ist.
Entscheidend ist, daß zwischen den beiden Ausgängen des
Abtasters stets eine der Höhe nach gleiche -Spannung
anliegt, die beim Umschalten des Drehstellungsgebers LED101,
IC103 lediglich ihre Polarität ändert.
Der Stromsensor HG101 ist als induktiv arbeitendes
Element ausgebildet, das eine dem Stromfluß proportionale
Signalspannung abgibt, deren Polarität durch die
Stromflußrichtung und die Ausgangsspannung des
zugeordneten Drehstellungsgebers LED101, IC103 bestimmt
ist. Im einzelnen ist der Stromsensor HG101 von einem
Hallgenerator gebildet, dessen Strompfad von den Ausgängen
des IC103 des Abtasters gespeist und dessen Hallspannung
einem Komparator IC101/1 zugeführt wird. Die Speisung des
Hallgenerators HG101 direkt aus der Ausgangsspannung des
Abtasters ergibt den Vorteil, daß unabhängig von der
Feldrichtung der Polspule L101 die Hallspannung stets die
gleiche Polarität besitzt. Auf diese Weise kann die
Hallspannung durch den Komparator IC101/1 mit einem am
Anschluß A anliegenden Sollwert verglichen werden, der
beispielsweise bei Anwendung der Maschine in einem
Fahrzeug dem Vorgabewert des Fahrstellers entsprechen
kann. Bei Unterschreitung des Sollwertes erzeugt der
Komparator IC101 ein das Schaltglied T101, T102
öffnendes Signal, während bei Überschreiten des Sollwerts
das Schaltglied T101, T102 geschlossen wird. Um hierbei
eine zu schnelle Schaltfolge zu vermeiden, ist den
Komparator IC101/1 ein Schmitt-Trigger IC101/2 mit einer
Schalthysterese von von ca. 5% nachgeschaltet.
Der Stromsensor HG101 ist, wie dies in Fig. 2
dargestellt ist, im Luftspalt zwischen dem Ständer 2 und
dem Läufer 1 angeordnet sein, um dort die
Magnetfeldstärke unmittelbar zu erfassen.
Dem Ausgang des Komparators IC101/1 bzw. des
Schmitt-Triggers 101/2 ist je ein Leistungstreiber IC102
zur Ansteuerung der beiden an die Gegentaktspule L101
angeschlossenen Schaltglieder T101, T102 nachgeschaltet.
Dabei sind die beiden Leistungstreiber IC102 mit einem
Sperreingang versehen, in die die zueinander
komplementären Ausgangsspannungen des Drehstellungsgebers
LED101, IC103 eingespeist werden. Dadurch ist sicher
gestellt, daß jeweils eines der beiden Schaltglieder T101,
T102 entsprechend der Drehstellung des Läufers 1
stets gesperrt ist.
Im übrigen sind für jede einzelne Polspule L101 des
Ständers 2 eigene Schaltglieder T101, T102 vorgesehen,
so daß hierfür Schaltelemente Anwendung finden können, die
nicht auf extrem hohe Strombelastungen ausgelegt sein
müssen. Da die vorzugsweise verwendeten MOS-Transistoren
mit geringsten Ansteuerleistungen auskommen, können
sämtliche Schaltglieder T101, T102 des gleichen Stranges
von einem einzigen Leistungstreiber IC102 angesteuert
werden. Im übrigen ist es auch ausreichend, den
Stromsensor HG101 und den Komparator IC101/1 für jeden
Strang nur einfach vorzusehen. Bei Ausfall eines dieser
Bauelemente oder des Schaltgliedes T101, T102, an dessen
Polspule L101 der Stromsensor HG101 angeordnet ist,
fiele dann allerdings die gesamte Stromversorgung eines
ganzen Stranges aus, während der Defekt eines einzelnen
Schaltgliedes T101, T102 an sich lediglich zu einer
geringen Leistungsabnahme entsprechend dem Anteil dieser
Polspule an der Gesamtzahl der Polspulen führen würde. Aus
diesem Grund empfiehlt es sich, den Stromsensor HG101,
den Komparator IC101/1 sowie gegebenenfalls den
Leistungstreiber IC102 mehrfach je Strang vorzusehen.
Die beiden weiteren, der eben beschriebenen identisch
entsprechenden Baugruppen für die Polspulen zweier
weiterer Stränge arbeiten entsprechend, jedoch
entsprechend zeitversetzt.
Die Speisung der Erregerspule 5, L107 des Läufers 1
erfolgt über ein Regelglied, durch das die Erregerspule L107
mit einem sich zur Drehzahl des Läufers 1 reziprok
ändernden Strom gespeist wird. Hierdurch wird erreicht,
daß mit zunehmender Drehzahl eine Abnahme des Drehmoments
erfolgt, wie dies in Fig. 10 dargestellt ist. Hieraus
ergibt sich eine im wesentlichen drehzahlunabhängige
konstante Leistungsabgabe. Dazu weist das Regelglied einen
durch T202 und C203 (Fig. 6) gebildeten
Spannungsrampengenerator mit konstanter
Spannungsanstiegsgeschwindigkeit auf, dessen zeitlich
gemitteltes Ausgangssignal eine proportionale Sollgröße
für den Strom durch die Erregerspule L107 bildet. Die
Spannungsrampe wird über die Anschlüsse B, C, D (Fig. 5
und 6) von kurzen Rücksetzimpulsen der Abtaster jeweils in
ihre Startbedingung zurückgesetzt, wobei die
Rücksetzimpulse 12 jeweils bei einem Signalwechsel an den
Abtastern ausgelöst werden. Daraus ergibt sich das in Fig.
9 dargestellte Zeitverhalten, wobei die Teilfig. a eine
niedrige, die Teilfig. b dagegen eine höhere Drehzahl
beschreibt. Die Anstiegsgeschwindigkeit des
Spannungsrampengenerators ist dabei so gewählt, daß dessen
Ausgangsspannung unterhalb einer festgelegten
Läuferdrehzahl einen festen Maximalwert erreicht, wie dies
aus der Fig. 9a ersichtlich ist. Die Spannung steigt hier
bis zu Uref an und bleibt kurzzeitig bis zum nächsten
Rücksetzimpuls 12 konstant. Auf diese Weise ergibt sich
bei niedrigen Drehzahlen ein konstantes Drehmoment, wie
dies in Fig. 10 dargestellt ist. Die Rücksetzimpulse 12
sind dabei so groß gewählt, daß eine stärker als lineare
Abnahme des gemittelten Ausgangssignals des
Spannungsrampengenerators mit steigender Drehzahl des
Läufers 1 auftritt. In dem Ausführungsbeispiel besitzt der
Rücksetzimpuls 12 eine Dauer von etwa 65 ms.
Der Strom durch die Erregerspule L107 wird ebenfalls von
einem Schalter T107 taktweise gesteuert, wobei der
Schalter T107 von einem Komparator IC202/1 geöffnet
wird, wenn der durch die Erregerspule L107 fließende
Strom kleiner ist als die von dem zeitlich gemittelten
Ausgangssignal des Spannungsrampengenerators T202, C203
gebildete Sollgröße. Dazu wird der durch die
Erregerspule L107 fließende Strom an einem
Stromfühlerwiderstand R115 gemessen. Dem Komparator IC202/1
ist ein Verzögerungsglied IC201/1 nachgeschaltet,
das ein Wiedereinschalten des Stroms durch die
Erregerspule L107 erst nach Ablauf einer Verzögerungszeit
ermöglicht, die hier zu 11 ms gewählt ist.
In Fig. 7 ist gestrichelt der Strom durch die Polspule L101
und durchgezogen die Statorgegenspannung dargestellt.
Der jeweils erkennbare Abfall des Spulenstroms wird
verursacht durch ein kurzzeitiges Abschalten des
jeweiligen Schaltgliedes T101, T102, das von der in
Fig. 8 durchgezogen dargestellten und mit Gate T101 bzw.
T102 bezeichneten, rechteckförmigen Spannung angesteuert
wird. Zusätzlich ist in Fig. 8 der Verlauf der
Hallspannung aufgetragen, die jeweils dann kurzzeitig
negativ wird, wenn der Drehstellungsgeber durch Umpolen
der komplementären Ausgangsspannungen den
Kommutierungsvorgang bereits vorbereitet hat.
Die Bausteine IC201/2 und IC202/2 einschließlich der
zugehörigen Beschaltung dienen für ABS- bzw. ASR-Betrieb.
Die Wirkungsweise und die Vorteile dieser Maschine lassen
sich somit wie folgt zusammenfassen:
Der Kollektor mechanischer Art, wie er bei Gleichstrommaschinen üblich ist, ist durch eine elektronische Steuerschaltung ersetzt, die es ermöglicht, den Stromwendepunkt in Abhängigkeit von der Verlagerung der Feldresultanten unmittelbar neu zu bestimmen. Die von MOS-Transistoren gebildeten Schaltglieder ermöglichen es, die Leistung der Maschine stufenlos einzustellen. Dazu ermittelt ein in der Wicklung oder im Feld vorgesehener Stromsenor den Spulenstrom und vergleicht diesen mit einem vorgegebenen Sollwert. Mit Erreichen des Sollwerts in den Spulen wird der momentan Strom führende Transistor der jeweiligen Spule abgeschaltet. Der in diesem Moment fließende Strom versucht nun, in der Spule weiter zu fließen, bis seine im Magnetfeld gespeicherte Energie abgebaut ist. Er fließt also Rückstrom in die Stromquelle über in dem Schaltglied eingebaute Dioden zurück. Für die Stromquelle bedeutet dies eine Verringerung der Stromaufnahme, wobei aber das Drehmoment in seiner Richtung erhalten bleibt. In dem Maße, wie die durch die Rotation im Magnetfeld entstehende Gegenspannung der Maschine sich der Klemmenspannung der Maschine annähert, wird die Stromanstiegsgeschwindigkeit geringer.
Der Kollektor mechanischer Art, wie er bei Gleichstrommaschinen üblich ist, ist durch eine elektronische Steuerschaltung ersetzt, die es ermöglicht, den Stromwendepunkt in Abhängigkeit von der Verlagerung der Feldresultanten unmittelbar neu zu bestimmen. Die von MOS-Transistoren gebildeten Schaltglieder ermöglichen es, die Leistung der Maschine stufenlos einzustellen. Dazu ermittelt ein in der Wicklung oder im Feld vorgesehener Stromsenor den Spulenstrom und vergleicht diesen mit einem vorgegebenen Sollwert. Mit Erreichen des Sollwerts in den Spulen wird der momentan Strom führende Transistor der jeweiligen Spule abgeschaltet. Der in diesem Moment fließende Strom versucht nun, in der Spule weiter zu fließen, bis seine im Magnetfeld gespeicherte Energie abgebaut ist. Er fließt also Rückstrom in die Stromquelle über in dem Schaltglied eingebaute Dioden zurück. Für die Stromquelle bedeutet dies eine Verringerung der Stromaufnahme, wobei aber das Drehmoment in seiner Richtung erhalten bleibt. In dem Maße, wie die durch die Rotation im Magnetfeld entstehende Gegenspannung der Maschine sich der Klemmenspannung der Maschine annähert, wird die Stromanstiegsgeschwindigkeit geringer.
Sobald ein zu betrachtendes Spulenpaar durch den
Erregerpol durchgelaufen ist und somit eine andere
Richtung des Erregerfeldes wirksam wird, muß sich die
Stromrichtung genau in dem Punkt umdrehen, in dem die
Gegenspannung der Maschine durch Null geht. Dies ist der
Fall, wenn die Polfläche des Erregerpoles die Spulenfläche
gerade vollständig ausfüllt. Die daraus resultierende
Feldkomponente bewirkt, daß die Gegen-EMK der Maschine zu
Null wird. Dadurch steigt die Differenz zwischen der
Gegen-EMK und Klemmenspannung sehr stark an und bewirkt
eine hohe zeitliche Stromänderung. Dadurch steigt der
Strom in der Spule stark an. Da er jedoch durch den
Stromsensor überwacht wird, schaltet dieser den Strom in
den Transistoren auf den jeweiligen Gegentransistor um.
Dadurch wird ein Abklingen des Stromes auf Null und ein
sofortiges Wiederansteigen in die Gegenrichtung bewirkt,
wie dies aus Fig. 7 ersichtlich ist. Auf diese Weise kann
der Spannungsnulldurchgang der Gegen-EMK erkannt werden,
und somit eine Stromwendung zum exakt richtigen Zeitpunkt
eingeleitet werden. Da dieser Vorgang rein elektrische
Ursachen hat, ist er von den mechanischen Gegebenheiten
der Maschine völlig unabhängig.
Auf diese Weise kann das Drehmoment von Null bis zum
Nennmoment unabhängig von der Drehzahl allein über die
vorgegebene Sollstromstärke bestimmt werden. Allerdings
würde von dem Moment an, bei dem die Gegenspannung der
Maschine die Klemmenspannung durch Zunahme der Drehzahl
erreicht, ein weiterer Stromfluß unterbunden. Um dies zu
vermeiden, läßt sich der Drehzahlbereich der Maschine bei
gleichen Bedingungen im Leistungskreis dadurch steigern,
daß mit zunehmender Drehzahl die Erregerfeldstärke im
Läufer zurückgenommen wird. Dadurch sinkt im selben Maße
die Gegen-EMK der Maschine. Es ist somit nur nötig, durch
eine Feldregeleinrichtung dafür zu sorgen, daß mit
steigender Drehzahl eine Feldreduzierung derart erfolgt,
daß die Gegen-EMK stets unter der Klemmenspannung der
Maschine bleibt. In diesem Zustand, dem sog.
Feldstellbereich der Maschine, läßt sich das Feld um einen
Faktor 5 abschwächen und damit die Drehzahl bei gleicher
Leistungsaufnahme um den Faktor 5 steigern. Dies hat eine
entsprechende Abnahme des Drehmoments zur Folge, da dieses
sich aus dem Produkt aus Spulenstrom im Ankerkreis und der
magnetischen Induktion des Erregerfeldes ergibt. Der Motor
folgt daher in diesem Bereich einer Leistungshyperbel mit
konstanter Leistung, wie dies in Fig. 10 dargestellt ist.
Die Leistungsregelung ist dagegen über den Strom im
Spulenfeld uneingeschränkt möglich.
Um einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen, muß die
Verlustleistung insbes. in den Schaltgliedern so gering
wie möglich gehalten werden. Dazu muß zunächst der innere
Widerstand der Schaltelemente so niedrig wie möglich sein.
Dies wird durch eine Aufteilung des Gesamtstroms auf eine
Vielzahl einzelner Transistoren erreicht, die nun nicht
alle Spulen gemeinsam sondern jeweils nur eine einzelne
Polspule ansteuern. Dadurch fließt in jedem einzelnen
Kreis nur der entsprechende Bruchteil des Gesamtstromes,
wodurch der Spannungsabfall niedrig gehalten werden kann.
Weiter ist auf ein möglichst ideales Schaltverhalten der
Schaltglieder zu achten. Übliche hierfür verwendete
Bauelemente, also bipolare Transistoren, Thyristoren oder
GTO-Thyristoren ermöglichen nur relativ große
Schaltzeiten, wodurch der an sich abzuschaltende Strom noch
für einen gestimmten Zeitraum weiter fließt. Dieser Strom
trägt jedoch nicht zum Drehmoment bei, sondern wird im
Schaltglied in Wärme umgesetzt. Die Verwendung von
MOS-Transistoren bietet daher hier wegen ihrer um
vergleichsweise um Zehnerpotenten größeren
Schaltschnelligkeit erhebliche Vorteile.
Für die Speisung der Erregerspule muß die Maschine zwar
noch mit mechanisch arbeitenden Schleifringen versehen
sein, wobei gegenüber der Gleichstrommaschine jedoch der
wesentliche Vorteil besteht, daß diese Schleifringe keine
Lamellierung besitzen und somit weniger Reibung
verursachen. Im übrigen ist der über die Schleifringe zu
übertragende Erregerstrom etwa zwei Zehnerpotenten kleiner
als der über den Kommutator zu übertragende Wirkstrom bei
einer entsprechenden Gleichstrommaschine. Die somit
verringerte Abbrandgefahr und das Fehlen der
Stromwendungen verleihen den mit den Schleifringen in
Verbindung stehenden Bürsten wesentlich höhere
Laufleistungen, wobei die Bürsten wegen der geringeren
Ströme auch deutlich geringere Abmessungen aufweisen
können.
Durch Anheben der Erregerströme läßt sich die Maschine
unmittelbar ohne jede weitere zusätzliche Maßnahme in den
Generator- also den Bremsbetrieb überführen.
Durch die automatische Erkennung des Stromwendepunktes
ergibt sich bei dieser Maschine auch eine wesentliche
Vereinfachung bei der Drehrichtungsumkehr. Bei einer
Drehrichtungsumkehr ist das Ankerfeld spiegelsymmetrisch
um das Erregerfeld geklappt, d. h. der resultierende
Feldvektor ist bei umgekehrter Drehrichtung exakt um den
Vektor des Erregerfeldes gespiegelt. Für eine
Kollektormaschine bedeutet dies, daß die Bürstenbrille um
die für den Leerlauf gültige neutrale Zone gespiegelt
werden müßte, um auch bei umgekehrter Drehrichtung einen
einheitlich gleichen Lauf zu erzielen. Da dies einen
erheblichen Aufwand bedeuten würde, nimmt man derzeit in
Kauf, daß der Wirkungsgrad in der entgegen gesetzten
Drehrichtung der Maschine deutlich unter dem Wert in der
Normalrichtung liegt. Dies bedeutet bei zahlreichen
Anwendungen eine erhebliche Einschränkung.
Weiter ist sowohl bei Asynchron- als auch bei
Gleichstrommaschinen die maximal mögliche Polpaarzahl
beschränkt. Neben der eingangs schon erwähnten
frequenzabhängigen Verluste bei der Asynchronmaschine muß
der Erregerstrom als Blindstrom in jedem einzelnen Segment
erzeugt werden. Dies bedeutet, daß bei einer hohen
Polpaarzahl für jedes einzelne Segment die entsprechende
Durchflutung einzeln erbracht werden muß. Damit ist die
Gesamtdurchflutung, die in der Maschine aufgebracht werden
muß, um die Polpaarzahl mal größer als die für ein
einzelnes Segment notwendige Durchflutung. Bei mehr als
acht Polpaarzahlen führt dies zu einem unerträglichen
Anstieg des Erregerblindstromes, der dann die
Größenordnung des Nennstroms erreicht und somit die
Verluste im Steller unerträglich erhöht. Dieses Problem
ließe sich nur durch extrem kleine Luftspalte zwischen
Ständer und Läufer verringern, was jedoch hohe Forderungen
an die Präzision der Maschine stellen würde. Zusätzlich
müßte eine optimale Zentrizität des Läufers in der
Ständerbohrung erreicht werden, da unterschiedlich breite
Luftspalte unterschiedliche Induktionen im Umfangsbereich
erzeugen würden.
Bei der Gleichstromkommutatormaschine würde eine Erhöhung
der Polpaarzahl zu einer entsprechenden Erhöhung der
Bürstenpaarzahl des Kollektors führen. Mit zunehmender
Bürstenzahl würde aber die Nennspannung auf einem immer
kleineren Segment des Kollektors anstehen, da die Bürsten
abwechselnd unterschiedliche Polarität haben. Da bei einem
schleifenden Kontakt die Spannung zwischen zwei Lamellen
den Wert von 30 V unter keinen Umständen überschreiten
darf, müssen entsprechend viele Lamellen zwischen den
Bürsten angebracht werden. Dadurch würden die Lamellen so
schmal, daß sie nicht mehr in der Lage wären, den Strom zu
führen. Dem könnte zwar durch eine Vergrößerung des
Kollektordurchmessers begegnet werden, wodurch sich aber
die Umfangsgeschwindigkeit an der Oberfläche der
Kollektorlamellen auf unzulässige Werte erhöhen würde mit
der Folge einer erhöhten Abnutzung der Bürsten.
Ferner wird die Gleichstromkommutatormaschine bei hoher
Lamellenspannung empfindlich gegen Rundfeuer, wodurch die
Standfestigkeit der Maschine reduziert wird. Aus diesem
Grund wird der Asynchronmotor trotz seiner aufwendigen
Steuerung der Kollektormaschine vorgezogen.
Durch die Vereinigung der Vorteile beider Maschinentypen
ist es somit möglich, eine vielpolige Maschine zu bauen
und hierdurch die Vorteile des geringen Leistungsgewichtes
voll auszunutzen. Dadurch besteht die Möglichkeit, die
spezifischen Verluste im Eisen durch Erhöhung der Frequenz
zwar relativ zu steigern, die absoluten Verluste aber
durch den wesentlich geringeren Anteil an Masse auf ein
übliches Maß zu senken.
Bei dem Steuerprinzip nach der Erfindung sinkt bei
steigender Drehzahl entlang der Leistungshyperbel die
magnetische Induktion des Erregerfeldes kontinuierlich ab.
Damit wirkt sich die Erhöhung der Frequenz bei steigender
Drehzahl nicht nachteilig auf die
Gesamtverlustleistungsbilanz aus. Das bedeutet, daß mit
einer Verdopplung der Frequenz und der dabei gleichzeitig
auftretenden Halbierung der Feldstärke im Grunde nur eine
Verdopplung der Verluste und nicht eine Potentierung um
den Faktor 2,5 entsteht.
Im Ergebnis ist es dadurch auch möglich, relativ kurze, im
Durchmesser etwas größere Maschinen zu bauen oder - bei
gleichem Außendurchmesser - aufgrund der wesentlich
geringeren Paketrückenhöhe die Bohrung entsprechend zu
vergrößern, wodurch ein längerer Hebelarm und somit ein
größeres Drehmoment erreicht wird. Dies kann dazu genutzt
werden, die Paketschichthöhe und dadurch die Baulänge zu
verkürzen. Durch den Wegfall des für die Unterbringung
eines Kollektors benötigten Raumes ergibt sich weiter eine
um etwa 40% geringere Maschinenlänge.
Claims (21)
1. Dynamoelektrische Maschine, insbesondere
mehrsträngige, n-polige Drehfeldmaschine zum
motorischen oder generatorischen Einsatz, mit einem
feststehenden Ständer (2), der mit einer der Zahl der
Stränge und der Pole entsprechenden Anzahl von
Polspulen (4) versehen ist, die als Gegentaktspulen
ausgebildet sind, deren gemeinsame Mittelanzapfung mit
dem einen Pol der Speisespannung (UB) und deren
Spulenenden über je ein Schaltglied (T101, T102) mit
dem anderen Pol der Speisespannung in Verbindung
stehen, und die bei entsprechender Strombeaufschlagung
in ihrer Gesamtheit ein magnetisches Drehfeld
erzeugen, sowie mit einem im Bereich des Drehfeldes
und koaxial zum Ständer (2) angeordneten, gegenüber
dem Ständer (2) drehbar gelagerten Läufer (1), der als
Dauermagnetläufer oder als zumindest eine
Erregerspule (5) aufweisendes Klauen- oder
Schenkelpolrad ausgebildet ist, wobei die
Erregerspule (5) über Schleifringe (9) mit Gleichstrom
gespeist wird, ferner mit einem Leistungsstellglied
zur Spannungs-/Stromwandlung für die Drehzahlregelung
der Maschine, sowie mit einer Kommutierungsschaltung,
die die Stromrichtung in den einzelnen Polspulen (4)
der jeweiligen Drehstellung und Drehrichtung des
Läufers (1) entsprechend umschaltet, wobei zur
Spannungs-/Stromwandlung und zur Kommutierung des
Stromflusses in der bzw. den Polspulen (4) eine
gemeinsame, von den Schaltgliedern (T101, T102)
gebildete Ankerstrom-Speiseschaltung vorgesehen ist
und die Schaltglieder (T101, T102) entsprechend der
gewünschten Stromflußrichtung und dem erforderlichen
mittleren Strom getaktet ein- bzw. ausgeschaltet
werden, ferner mit einem Drehstellungsgeber, der die
momentane Drehstellung des Läufers angibt sowie die
Signale zur Kommutierung erzeugt, und mit einem
Stromsensor, der den bei eingeschaltetem Schaltglied
fließenden Strom erfaßt, wobei
der Stromsensor von einem Hallgenerator gebildet ist,
der im Luftspalt zwischen Ständer (2) und Läufer (1)
angeordnet ist und die Magnetfeldstärke induktiv
erfaßt, wobei ferner jeder Drehstellungsgeber (LED101,
IC103) zwei zueinander komplementäre
Ausgangsspannungen abgibt, deren Polarität jeweils
durch die augenblickliche Drehstellung des Läufers
bestimmt ist, wobei ferner die vom Hallgenerator (HG101)
abgegebene, dem Stromfluß proportionale
Signalspannung in ihrer Polarität durch die
Feldrichtung und die Polarität der dem Strompfad des
Hallgenerators speisenden komplementären
Ausgangsspannung des zugeordneten Drehstellungsgebers
bestimmt ist und wobei aus einem Vergleich des Signals
des Hallgenerators mit einem Sollwert die zur
getakteten Stromregelung erforderlichen
Ansteuersignale für die Schaltglieder (T101, T102)
gebildet werden.
2. Maschine nach Anspruch 1, bei der
das Schaltglied (T101, T102) von einem schnell
schaltenden Halbleiterbauelement gebildet ist.
3. Maschine nach Anspruch 2, bei der
das Schaltglied (T101, T102) von einem
Leistungs-Feldeffekt-Transistor gebildet ist.
4. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei
der die Gegentaktspulen (L101) als
bifilare Wicklung ausgebildet ist.
5. Maschine nach Anspruch 1 bis 4, bei
der die Mittelanzapfung an den
positiven Spannungspol (UB) über eine
LC-Dämpfungsbeschaltung (L104, C101) angeschlossen
ist.
6. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei
der der Drehstellungsgeber (LED101,
IC103) von einer der Zahl der Stränge entsprechenden
Anzahl von Abtastern gebildet ist, die die Information
einer mit dem Läufer (1) drehfesten Kodierscheibe (10)
abtasten.
7. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei
der der Drehstellungsgeber von einer
der Zahl der Stränge entsprechenden Anzahl von
Magnetfeldsensoren gebildet ist, die die Position der
Pole des Läufers (1) erfassen.
8. Maschine nach Anspruch 7, bei der
die Abtaster als optoelektronische Lichtschranken (11)
ausgebildet sind, die die auf der Kodierscheibe (10)
in digitaler Form angebrachten Informationen erfassen.
9. Maschine nach Anspruch 8, bei der
die Informationen der Kodierscheibe (10) aus
äquidistanten, gleichmäßig über den Umfang verteilt
angeordneten und jeweils abwechselnden logischen Ein-
bzw. Aus-Zuständen bestehen, wobei die paarweise
Anzahl der Ein- und Aus-Zustände der Polzahl des
Läufers (1) entspricht und wobei die Abtaster um einen
festen axialen Drehwinkel gegeneinander verschoben
sind, der sich aus dem Quotienten von 360° und dem
Produkt aus der Anzahl der Pole und der Anzahl der
Stränge ergibt.
10. Maschine nach Anspruch 9, bei der
jeder der Abtaster zusätzlich um einen Drehwinkel von
einem ganzzahligen Vielfachen des von zwei
benachbarten Polen aufgespannten Winkels versetzt
angeordnet ist.
11. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei
der zum Vergleich der Hallspannung mit
dem von einem Vorgabewert des Fahrstellers gebildeten
Sollwert ein Komparator (IC101/1) vorgesehen ist,
durch welchen bei Unterschreiten des Sollwerts das
zugehörige Schaltglied (T101, T102) geöffnet und bei
Überschreiten des Sollwerts das Schaltglied (T101, T102)
geschlossen wird.
12. Maschine nach Anspruch 11, bei der
der Komparator (IC101/1) als Schmitt-Trigger (IC101/2)
mit einer Schalthysterese von ca. 5%
beschaltet ist.
13. Maschine nach Anspruch 12, bei der
dem Ausgang des Komparators (IC101/1) je ein
Leistungstreiber (IC102) zur Ansteuerung der beiden
an die Gegentaktspulen (L101) angeschlossenen
Schaltglieder (T101, T102) nachgeschaltet ist, wobei
die beiden Leistungstreiber (IC102) mit einem
Sperreingang versehen sind, in die die zueinander
komplementären Ausgangsspannungen des
Drehstellungsgebers (IC103) eingespeist werden.
14. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der
die Speisung der Erregerspule (L107)
des Läufers (1) über ein Regelglied erfolgt,
durch das die Erregerspule (5) mit einem sich zur
Drehzahl des Läufers reziprok ändernden Strom gespeist
wird.
15. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei der
das Regelglied einen
Spannungsrampengenerator (T202, C203) mit konstanter
Spannungsanstiegsgeschwindigkeit aufweist, dessen
zeitlich gemitteltes Ausgangssignal eine proportionale
Sollgröße für den Strom durch die Erregerspule (L107)
bildet, wobei die Spannungsrampe von kurzen
Rücksetzimpulsen (12) der Abtaster jeweils in ihre
Startbedingung zurückgesetzt wird und die
Rücksetzimpulse (12) jeweils bei einem Signalwechsel
an den Abtastern ausgelöst werden.
16. Maschine nach Anspruch 15, bei der
die Anstiegsgeschwindigkeit des
Spannungsrampengenerators (T202, C203) so gewählt
ist, daß dessen Ausgangsspannung unterhalb einer
festgelegten Läuferdrehzahl einen festen Maximalwert
erreicht.
17. Maschine nach Anspruch 15 oder 16, bei der
die Länge des
Rücksetzimpulses (12) so groß gewählt ist, daß eine
stärker als lineare Abnahme des gemittelten
Ausgangssignals des Spannungsrampengenerators (T202,
C203) mit steigender Drehzahl des Läufers (1)
auftritt.
18. Maschine nach den Ansprüchen 15 bis 17, bei der
der Rücksetzimpuls 12 eine Dauer
von etwa 65 Mikrosekunden besitzt.
19. Maschine nach den Ansprüchen 14 bis 18, bei der
der Strom durch die
Erregerspule (L107) von einem Schalter (T107)
taktweise gesteuert und der Schalter (T107) von einem weiteren
Komparator (IC202/1) geöffnet wird, wenn der durch
die Erregerspule (L107) fließende, an einem
Stromfühlerwiderstand (R115) gemessene Strom kleiner
ist als die von dem zeitlich gemittelten
Ausgangssignal des Spannungsrampengenerators (T202, C203)
gebildete Sollgröße.
20. Maschine nach Anspruch 19, bei der
dem weiteren Komparator (IC202/1) ein Verzögerungsglied (IC201/1)
nachgeschaltet ist, das ein Wiedereinschalten
des Stroms durch die Erregerspule (L107) erst nach
Ablauf einer Verzögerungszeit ermöglicht.
21. Maschine nach Anspruch 20, bei der
die Verzögerungszeit des Verzögerungsglieds (IC201/1)
11 ms beträgt.
Priority Applications (1)
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ID=6381282
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