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Selbstgesteuerter Gleichstrom-Elektromotor für hohe Drehzahlen
Die Erfindung betrifft einen selbstgesteuerten Gleichstrommotor mit einer geraden Anzahl von Sta- torspulen. Solche Motoren haben den bekannten Vorteil, dass ihre Drehzahl regelbar ist, doch kann man mit ihnen bis jetzt keine sehr hohen Drehzahlen erreichen. Nachteilig wirkt sich bei ihnen femer aus, dass die bei höheren Drehzahlen am Kollektor auftretende Funkenbildung die Kollektorlamellen zerstört und damit ihre Lebensdauer begrenzt. Bei hohen Drehzahlen von z. B. 15000 bis 20 OOOUmdr/min tritt ferner neben dem bekannten Bürstenfeuer ein Rundfeuer auf, was einen sehr raschen Abbrand des Kol- lektors zur Folge hat.
Man hat bereits versucht, zur Vermeidung des Bürstenfeuers an den Kollektoren von GleichstromElektromotoren und-Generatoren an Stelle eines Kollektors eine Kommutierungsanordnung zu verwenden, die nur eine sehr geringe Energie abgibt, und diese Energie nach Verstärkung In einer Rohrenanord- nung den Statorspulen der Maschine als Erregerstrom zuzuführen. Als Kommutierungsanordnung wurde dabei eine Anordnung von Hall-Generatoren verwendet.
Solche Massnahmen reichen aber nicht aus, wenn man bei Gleichstrom-Elektromotoren hohe Drehzahlen erreichen will, insbesondere solche von einigen 100 000 Umdr/min, wie sie in der Technik vielfach erwünscht sind. Denn Röhrenverstärker eignen sich grundsätzlich nicht für den Betrieb von Motoren, weil der hohe innere Widerstand der Röhren den Wirkungsgrad nachteilig beeinflusst und vor allem die er- forderlichen hohen Anlaufströme nicht zulässt.
Auch der blosse Ersatz der Röhrenverstärker durch Transistoren führt nicht zum Ziel, da die Transistoren bei so hohen Schaltzahlen verbrennen würden. Soweit man Transistoren bisher bei Elektromotoren verwendet hat, geschah dies auch nur zur Steuerung von Motoren für elektrische Uhren, die fremdgesteuert und von geringer Leistung und geringer Umlaufgeschwindigkeit sind.
Es sind auch bereits Rückkopplungsschaltungen von Transistoren bekannt, die ein schnelles Schalten der Transistoren herbeiführen. Diese bekannten Schaltungen sind Gegentaktschaltungen und werden für Wechselrichterschaltungen mit symmetrischen und Ausschaltzeiten verwendet. Sie sind jedoch nicht geeignet zum Betrieb von Motoren mit sehr hoher, insbesondere veränderlicher Drehzahl, weil bei diesen das Verhältnis von Einschaltzeit zu Ausschaltzeit sehr unterschiedlich und dabei die Schaltdauer extrem kurz sein muss.
Die Erfindung geht nun von einem selbstgesteuerten Gleichstrom-Elektromotor mit einer geraden Anzahl von Statorspulen und einer sehr geringe Energie abgebenden Kommutierungsanordnung aus, die eine Verstärkeranordnung zur Erregung der Statorwicklungen steuert. Um bei einem solchen Motor hohe Drehzahlen zu erreichen, sind gemäss der Erfindung die den Statorwicklungen zugeordneten Verstärker aus derart rückgekoppelten Transistoren aufgebaut, dass ihr Ein- und Ausschalten erst bei einem gewissen Grad der Aussteuerung schlagartig erfolgt.
Zweckmässig besteht die Verstärkeranordnung aus zwei vorverstärkenden Transistoren in Rückkopplungschaltung und einem Leistungstransistor, der von den ersteren schlagartig mit entsprechend hoher positiver oder negativer Steuerspannung beschickt wird. Vorteilhaft ist eine doppelte Anzahl von Transistorgruppen wie Statorwicklungen vorhanden und sind die jeder Wicklung zugeordneten zwei Transistorgruppen so geschal-
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tet, dass sie die Wicklungen in entgegengesetzter Richtung erregen. Ferner sind zweckmässig zweiin Reihe geschaltete Gleichstromquellen vorhanden, die von den Transistorgruppen abwechselnd an die Statorwick- lungen gelegt werden. Diese Speisegleichstromquellen können in an sich bekannter Weise durch Anord- nung von Transformatoren und Gleichrichtern in Ein- oder Mehrphasenschaltung erzeugt werden.
Als Kommutierungsanordnung kann beim Motor nach der Erfindung in bekannter Weise ein Hall-Ge- nerator oder eine lichtelektrische Steuerung verwendet werden. In letzterem Fall sind symmetrisch um die Ankerachse des Motors Photodioden angebracht, die durch den Schlitz einer mitder Ankerachseum- laufenden Hülse oder über einen an der Ankerachse angebrachten Spiegel nacheinander belichtet werden. Da die Steuerströme aber beim Motor nach der Erfindung nur sehr gering sind, kann man die Steuerung auch über Kollektorlamellen und Bürsten vornehmen.
Die Erfindung soll nun an Hand der Zeichnung näher beschrieben werden. Dabei zeigt Fig. 1 ein Schaltbild einer Anordnung nach der Erfindung mit photoelektrischer Selbststeuerung, Fig. 2 einen Motor nach der Erfindung mit photoelektrischer Steuerung im Längsschnitt, Fig. 3 einen Querschnitt durch den Motor nach Fig. 2 längs der Ebene III - III, Fig. 4 einen Motor nach der Erfindung mit Lamellenkollektor und Schleifbürsten im Längsschnitt, Fig. 5 die Lamellen- und Bürstenanordnung des Motors nach Fig. 4 in Draufsicht, Fig. 6 einen Motor nach der Erfindung mit Hallsteuerung und Fig. 7 einen Querschnitt durch den Motor nach Fig. 6 längs der Ebene VII - VII.
In Fig. 1 ist mit 1 der Anker des Motors bezeichnet, der aus einem Dauermagneten SN besteht. 22 und 23 sind die Statorspulen des Motors. Am einen Wellenende 2 des Ankers ist eine Hülse 3 mit einem Schlitz 4 angebracht. In dieser Hülse 3 ist eine Lampe 5 stationär angeordnet. Symmetrisch um die Hülse stehen vier Photodioden 6, 7, 8,9 so, dass sie von der Lampe 5 durch den Schlitz 4 bei Umlauf der Hülse 3 nacheinander belichtet werden. I - IV sind vier Transistorgruppen, die den Photodioden zugeordnet sind. Wird z. B. die Photodiode 8 belichtet, so wird sie leitend, und es tritt über sie die im Gleichrichter 11 erzeugte positive Spannung an der Basis des Transistors 10 auf, so dass derselbe sperrt. Die negativeSpannung des Gleichrichters 11 liegt nun über dem Punkt 12 und dem Basiswiderstand 13 am Transistor 14 und öffnet diesen.
Infolgedessen fliesst ein Strom über den Widerstand 15, den Widerstand 16, die Emitter-Kollektorstrecke des Transistors 14, zum Emitter des Leistungstransistors 17, und über dessen Basis zum Basiswiderstand 18 zur Gleichstromquelle 11 über Punkt 12 zurück. Der bis dahin gesperrte Transistor 17 wird hiedurch geöffnet. Gleichzeitig fliesst ein Strom über den Transistor 14unddenWiderstand 19, welcher ein sehr rasches Schliessen des Transistors 10 bewirkt. Durch diese Rückkopplungschaltung ergibt sich ein sehr rasches Schalten der Transistoren. Sobald der Leistungstransistor 17 geöffnet ist, fliesst ein Strom aus der Gleichstromquelle 20 über die Statorwicklung 22 des Motors, über den Transistor 17 zum Minuspol der Gleichstromquelle 20 zurück.
Infolgedessen dreht sich der polarisierte Anker um zirka 90 nach einer gegebenen Richtung weiter.
Bei diesem Weiterdrehen wird der Lichtstrahl, welcher durch den Schlitz tritt, auf die nächste Photodiode, z. B. 7, gelenkt, welche ihrerseits in entsprechender Weise die Transistorgruppe III schaltet. Durch diese wird nun der Statorwicklung 23 Strom zugeführt, während die vorher eingeschaltete Statorwicklung 22 abgeschaltet wird. Infolgedessen dreht sich der Anker wieder um 900, wodurch die Photodiode 6 belichtet wird. Dadurch wird die Transistorgruppe 11 eingeschaltet.
Diese Transistorgruppe II bzw. deren Leistungstransistor ist aber mit der Gleichstromquelle 21, welche mit der Gleichstromquelle 20 in Reihe liegt, so verbunden, dass nunmehr durch die Statorwicklung 22 ein Strom in umgekehrter Richtung fliesst. Dabei wird nun der Anker 1 wieder um 900 weitergedreht, das Licht der Lampe 5 durch den Schlitz 4 auf die Photodiode 9 gelenkt und damit die. Transistorgruppe IV in gleicher Weise, wie vorstehend für die Transistorgruppe I beschrieben ist, geschaltet, lediglich mit dem Unterschied, dass der Leistungstransistor IV ebenfalls an die Gleichstromquelle 21 angeschlossen ist und entsprechend dem Leistungstransistor der Gruppe H die Statorwicklung 23 in umgekehrter Richtung wie die Transistorgruppe III erregt.
Durch die Verwendung von doppelt soviel Transistorgruppen wie Statorspulen des Motors, wie sie im vorstehenden Schaltbeispiel beschrieben worden ist, ergibt sich der höchstmögliche elektrische Wirkungsgrad, da die Statorspulen in zwei Richtungen vom Strom durchflossen und damit voll ausgenutzt wer- en und infolgedessen der Motor bei kleinsten Abmessungen sehr leistungsfähig gestaltet werden kann. Die vorstehend beschriebene Verwendung zweier getrennter, in Reihe geschalteter Gleichstromquellen ergibt : ten Vorteil, dass in den Statorspulen eine Stromrichtungsänderung mit nur der Hälfte der Transistoren bewirkt werden kann, die sonst nötig wären.
Die Fig. 2 und 3 zeigen beispielsweise eine bauliche Ausführungsform eines selbstgesteuerten Motors
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