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Kollektorloser, durch ein Halbleiterbauelement gesteuerter
Gleichstrommotor
Im Gegensatz zu Wechselstrommotoren ist bei Gleichstrommotoren stets ein Kollektor erforderlich, der der Wicklung des Läufers bzw. des Stators den Betriebsstrom in der zur Erzielung eines eine gleich- sinnige Drehung des Läufers notwendigen wechselnden Polung zuführt. Kollektormotoren neigen jedoch zur Funkenbildung und zu andern Störungen, welche durch den Kollektor bedingt sind. Durch Anwendung eines an sich bekannten Halbleiterbauelementes, der sogenannten Tunneldiode, ist es jedoch, wie ge- mäss der Erfindung erkannt wurde, möglich, einen kollektorlosen, mit Gleichstrom zu betreibenden Elek- tromotor zu konstruieren.
Es entspricht dem Stand der Technik, einen Transistor oder einen Hallgenerator zur Steuerung eines kollektorlosen Gleichstrommotors zu verwenden. Im ersten Fall wird eine Gleichspannungsquelle zwischen dem Emitter und dem Kollektor des steuernden Transistors gelegt und durch den Kollektorstrom die Feldspule des Motors betrieben, während zwischen Emitter und Basis eine durch die Stellung des Läufers des
Motors beeinflusste Rückkopplungsspule liegt. Infolgedessen wird, je nach Stellung des Läufers, der vom Transistor der Feldspule zugeführte Strom ein-bzw. abgeschaltet, so dass der Läufer des Motors einsinnig gerichtete Drehimpulse erhält. Im andern Falle wird die Hallspannung zweier Hallgeneratoren zur Erregung einer Feldspule mit Eisenschluss verwendet, deren Magnetfeld wieder zur Rücksteuerung der Hallgeneratoren dient.
Zwischen den Feldspulen einerseits und den Hallgeneratoren anderseits ist ein permanenter Magnet als Rotor angeordnet. Durch die Drehung des Rotors wird das die Hallgeneratoren durchsetzende Magnetfeld, die Hallspannung und damit auch die Erregung der Feldspulen verändert, wobei infolge der Rückkopplung einsinnig gerichtete Drehimpulse auf den Läufer erzielt werden.
Dem gegenüber bezieht sich die Erfindung auf einen kollektorlosen, durch ein Halbleiterbauelement gesteuerten Gleichstrommotor mit einem ein Magnetfeld erzeugenden Stator, bei dem der Läufer durch das Magnetfeld einer von Betriebsstrom durchflossenen ein-oder mehrwindigen Spule in Rotation versetzt wird, wobei das Halbleiterbauelement den Betriebsstrom derart steuert, dass eine einsinnige Drehung des Läufers möglich ist.
Die Erfindung ist durch mindestens eine in Flussrichtung gepolte Tunneldiode im Stromkreis der Spule gekennzeichnet, deren Arbeitspunkt bei ruhendem Läufer im fallenden Teil ihrer Stromspannungscharakteristik so eingestellt ist, dass die während einer Halbdrehung A des freigegebenen Läufers in der Spule induzierte Spannungsverminderung zu einem höheren Strom in der Spule als die während der andern Halbdrehung B in der Spule induzierte Spannungserhöhung führt, und der während der Halbdrehung A vom Läufer aufgenommene Drehimpuls grösser als das während der Halbdrehung B auf den Läufer ausgeübte Bremsmoment ist.
Durch die Verwendung einer Tunneldiode, also eines Zweipols, ergeben sich gegenüber den bekannten nach einem Rückkopplungsprinzip arbeitenden Vorrichtungen Vorteile, insbesondere der geringe technische Aufwand bei hohem Wirkungsgrad. Vor allem verlangt das Rückkopplungsprinzip der bekannten Vorrichtungen irgend welche in unmittelbarer Nähe des Läufers angeordnete durch das Magnetfeld des Rotors beeinflusste Steuerorgane, die es ermöglichen, das Halbleiterbauelement in diesen Schaltungen entsprechend der Lage des Rotors zu steuern. Hingegen sind bei einer Vorrichtung nach der Lehre der Erfindung ausser dem Halbleiterbauelement und den einfachsten, in Fig. 1 dargestellten Bauteilen des Motors keine weiteren insbesondere elektrische Funktionen ausübende Elemente erforderlich.
Insbesondere kann das
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steuernde Element, welches zur Entfaltung seiner Funktion keinerlei Rückkopplungsimpulse bedarf, in beliebiger Entfernung vom eigentlichen Motor angeordnet werden. Der Motor kann also nach dem ein- fachen Schema, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, aufgebaut sein und ist dann einsatzfähig.
Einer der Hauptvorteile eines der Lehre der Erfindung entsprechenden Motors gegenüber den bekann- ten Motoren dieser Art ist, dass der erfindungsgemässe Motor wegen des Fehlens steuernder Organe in der
Nähe des Rotors mit äusserst geringem Abstand zwischen Stator und Rotor gebaut werden kann. Dadurch wird eine maximale Steuerwirkung des Stators auf den Rotor erreicht und Schlupferscheinungen auf ein
Minimum reduziert, während die steuernden Rückkopplungsorgane beim bekannten die Wirkung des Sta- tors auf den Rotor schwächen müssen.
Zum Betrieb des Motors ist natürlich ausser der vom Betriebsstrom durchflossenen Spule noch ein weiterer ein magnetisches Feld erzeugender Körper notwendig. Hiezu ist beim Motor gemäss der Erfin- dung vorzugsweise ein Permanentmagnet vorgesehen, obwohl auch die Verwendung einer Spule möglich ist. Die Beschreibung soll sich zunächst mit dem Fall der Verwendung eines Permanentmagneten als zwei- ten magnetfelderzeugenden Körper befassen. Dabei wird die vom Betriebsstrom durchflossene Spule zweckmässig als Stator, der Permanentmagnet als Läufer verwendet, obwohl auch die umgekehrte Anordnung möglich ist. Die Wirkungsweise dieser Anordnungen, bei denen der Läufer nicht vom Permanentagneten und der Stator nicht von einer Betriebsspule gebildet ist, erfährt durch diese Abwandlungen keinen Unterschied.
In Fig. 1 ist ein einfacher kollektorloser Elektromotor für Gleichstrombetrieb dargestellt, bei dem ein permanenter Magnet als Läufer, eine vom Betriebsstrom durchflossene den Läufer umgebende Spule als Stator vorgesehen ist,. wobei sich gemäss der Erfindung im Stromkreis des Stators eine in Flussrichtung gepolte Tunneldiode befindet, deren Arbeitspunkt bei festgehaltenem Läufer so eingestellt ist, dass die während einer HalbdrehungA des freigegebenen Läufers durch den Läufer am Stator induzierte Spannungsverminderung zu einem höheren Strom im Stator als die während der andern Halbdrehung B des Läufers induzierte Spannungserhöhung führt.
Der Stator wird dabei von einer Leiterschleife Sp gebildet, welche an einer Gleichspannungsquelle G liegt. Ausserdem ist in diesem Stromkreis eine bezüglich der Gleichspannungsquelle in Flussrichtung gepolte, mit dem Stator in Reihe geschaltete Tunneldiode T vorgesehen. Der Läufer wird von einem permanenten Magneten L mit den Polen NS gebildet, der auf einer in der Ebene der Leiterschleife Sp lie- genden Drehachse a, at drehbar angeordnet ist, derart, dass sein magnetisches Moment senkrecht zur Achse a, at steht. Die Drehachse dient, wie üblich, als Übermittler der vom Motor erzeugten mechanischen Leistung und ist in an sich bekannter Weise zum Magnetfeld des Stators so orientiert, dass dieses Feld auf den Läufer ein Drehmoment ausüben kann.
Zunächst sei von der Wirkungsweise der Tunneldiode abgesehen. Wird der Ständer von einem Gleichstrom durchflossen, so erzeugt dieser ein Magnetfeld, welches auf den Läufer ein Drehmoment M ausübt. Der Betrag dieses Drehmoments verschwindet bekanntlich in zwei ausgezeichneten Lagen des Läufers, nämlich dann, wenn das magnetische Moment des Läufers parallel zu den magnetischen Kraftlinien der Leiterschleife Sp orientiert ist.
Die eine dieser Stellungen entspricht dem stabilen Gleichgewicht, so dass, um den Läufer aus dieser Stellung zu drehen, Arbeit am Läufer geleistet werden muss. Dieser Gleichgewichtslage des Läufers wird der Winkel cp = 00 zugeordnet. In der Stellung = 1800 verschwindet zwar das Drehmoment ebenfalls, das Gleichgewicht in dieser Lage ist jedoch labil, so dass im Gegensatz zu der Stellung so = 00 des Läufers der geringste Anstoss genügt, um den Läufer aus der Stellung cp = 1800 in die stabile Gleichgewichtslage cp = 00 zu bringen. Ist H die Stärke des Magnetfeldes am Ort des Läufers, so bestimmt sich der Be-
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geschwindigkeit des Läufers abhängende Spannung induziert.
Für den Betrag dieser induzierten Spannung ist die zeitliche Änderung des Kraftflusses des Magnetfeldes des Läufers durch die Leiterschleife, für die
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Läuferfeldes ist, sich also, wenn t die Zeit bedeutet, AV =.'* ergibt, und ausserdem ==--'-dt dt d (p dt gilt, verschwindet die induzierte Spannung stets dann, wenn extrem wird, also in den Stellungen cp = 00 und so = 1800, gleichgültig, mit welcher Geschwindigkeit der Läufer sich dreht. In den übrigen Stellungen des Läufers kann die induzierte Spannung dagegen nicht verschwinden, solange der Läufer nicht zum Stillstand kommt.
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Für das Vorzeichen der induzierten Spannung gilt die Lenz'sche Regel. Wenn der Läufer aus der stabilen Gleichgewichtslage so = 00 herausgedreht wird, so bedeutet dies eine Verminderung des vom Läufer in der Leiterschleife Sp erzeugten magnetischen Kraftflusses. Dementsprechend ist bei einer Drehung des Läufers von cp = 00 bis cp = 900 (der Drehsinn ist dabei gleichgültig) der vom Läufer im Stator induzierte Strom so gerichtet, dass er die Drehung des Läufers bremst.
Dreht sich der Läufer weiter von cp = 900 bis cp = 1800 so nimmt zwar der die Leiterschleife Sp durchsetzende Kraftfluss wieder betragsmässig zu, hat aber das entgegengesetzte Vorzeichen, so dass nach wie vor der induzierte Strom die gleiche Richtung wie
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bezeichnet wird-induzierte Spannung ist somit auf Grund der Lenz'schen Regel der Spannung der Betriebsstromquelle gleichgerichtet, weil auch das Magnetfeld des Betriebsstromes das Bestreben hat, das Herausdrehen des Läufers aus der Stellung des stabilen Gleichgewichtes so = 00 zu hemmen. Während der Halbdrehung B addiert sich somit die induzierte Spannung AV der Betriebsstromquelle.
Bei einer Halbdrehung von cl = 1800 bis so = 3600 wird der Läufer in seine stabile Gleichgewichtslage o = 00 zurückgeführt. Dieses Bestreben hat auch das Magnetfeld des von der Betriebsspannungsquelle G in der Leiterschleife Sp hervorgerufenen Stromes. Folglich muss, entsprechend der Lenz'schen Regel, die infolge der Bewegung des Läufers in der Statorschleife erzeugte Spannung A V der Spannung der Gleichspannungsquelle G entgegengesetzt gerichtet sein. Während der Halbdrehung A subtrahiert sich somit die induzierte Spannung von der Spannung der Betriebsstromquelle. Dies gilt unabhängig davon, ob die Drehung des Läufers durch das Feld des Stators oder durch ein von äusseren Kräften hervorgerufenes Drehmoment bewirkt wird.
Die in den Stromkreis der Statorschleife eingeschaltete Tunneldiode ist ein Element mit nichtlinearer Stromspannungscharakteristik. Diese Charakteristik ist in Fig. 2 dargestellt, wobei die an der Tunneldiode liegende Spannung U als Abszisse, der die Tunneldiode durchfliessende Strom J als Ordinate dargestellt ist. Der hier nicht weiter interessierende Sperrbereich ist dabei fortgelassen. Charakteristisch für die Kennlinie der Tunneldiode im Flussbereich ist das bei einer Spannung U a auftretende Strommaximum a und das bei einer grösseren Spannung Ub auftretende Minimum b.
Zwischen dem Maximum a und dem Minimum b ist die Charakteristik fallend, was eine Abnahme des ohmschen Widerstandes R der Tunneldiode in diesem Bereich mit steigender Spannung bedeutet, während links vom Maximum a und rechts vom Minimum B der Strom J mit steigender Spannung U anwächst. Ist nun J = F (U) der analytische Aus-
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Bedeutet nun W den ohmschen Widerstand der Leiterschleife (einschliesslich etwaiger Vorschaltwiderstände und des Innenwiderstandes der Betriebsstromquelle G), so ist die an der Tunneldiode T liegende Spannung U durch die Beziehung U = E-W. J gegeben, wenn E die EMK der Betriebsspannungsquelle ist.
Folglich muss der Strom durch die Tunneldiode den beiden Beziehungen U = E-W. J und J = F (U) genügen, wodurch dieser Strom und damit die Spannung an der Tunneldiode eindeutig bestimmt ist. Da jedoch der analytische Ausdruck für die Charakteristik der Tunneldiode mit der erforderlichen Genauigkeit nicht zur Verfügung steht, empfiehlt es sich, den Strom und die Spannung graphisch an Hand der gemessenen Kennlinie der Diode zu ermitteln.
Zu diesem Zweck wird die Charakteristik der übrigen den Statorkreis aufbauenden Elemente, also
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geometrischen Gründen mindestens einen und höchstens drei Schnittpunkte haben, welche die bei der getroffenen Wahl der äusseren Stromelemente möglichen Betriebszustände, also Arbeitspunkte, definieren.
Bei entsprechend steilem Verlauf der Charakteristik der den Statorkreis bildenden Elemente, also bei entsprechend kleinem Gesamtwiderstand W, lässt es sich stets einrichten, dass nur ein einziger Arbeitspunkt vorliegt. Durch entsprechende Wahl von E lässt es sich ferner erreichen, dass dieser Arbeitspunkt an einer beliebigen Stelle im fallenden Bereich der Charakteristik der Tunneldiode liegt, wobei bemerkt wird, dass sich die Lage des"Ruhearbeitspunktes"in der Mitte oder in der unteren Hälfte des fallenden Bereiches dieser Charakteristik besonders empfiehlt.
Beim Motor entsprechend der Lehre der Erfindung sei nun der Widerstand W in der Statorschleife und die EMK E der Betriebsspannungsquelle G so eingestellt, dass sie bei festgehaltenem Läufer etwa der Lage der Geraden I entspricht. Sie schneidet die Charakteristik der Tunneldiode im"Ruhearbeitspunkt"P.
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Wie bereits festgestellt, wird nun während der Halbdrehung B des Läufers in der Statorschleife eine Span- nung A V induziert, welche sich mit gleichen Vorzeichen der Spannung E der Betriebsstromquelle addiert.
Während der Halbdrehung B ist also der Wert von E um einen, wenn auch veränderlichen Betrag AV ver- grössert.
Dem entspricht, dass sich die Kennlinie der Elemente der Statorschleife parallel zu sich während der
Halbdrehung B nach rechts verlagert, wobei die Lage der maximalen Verschiebung etwa der Geraden II in
Fig. 2 entsprechen möge. Dementsprechend wandert der Arbeitspunkt während der Halbdrehung B zunächst nach rechts in die Grenzlage P'und kehrt anschliessend am Schluss der Halbdrehung B wieder in die Nor- mallage Po zurück. Umgekehrt ist bei der Halbdrehung A die Spannung AV der Spannung E entgegenge- setzt gepolt. Dies bedeutet, dass nunmehr sich die Kennlinie der Elemente der Statorschleife nach links bis etwa zur Grenzlage III verlagert, um am Schluss der Halbdrehung A wieder die Lage I einzunehmen.
Entsprechend dieser Verlagerung wird auch der Arbeitspunkt während der HalbdrehungA zunächst von Po nach P" und dann wieder zurück nach Po verlagert.
Die beiden Grenzlagen, die der Arbeitspunkt auf der Charakteristik der Tunneldiode annimmt, hän- gen natürlich von der Drehgeschwindigkeit des Läufers ab, u. zw. sind sie, weil die induzierte Spannung
AV umso grösser wird je rascher der Läufer rotiert, umso weiter von der Ruhelage voneinander entfernt je grösser die Rotationsgeschwindigkeit und damit die Drehzahl des Läufers ist.
Die Wahl des Ruhearbeitspunktes Po (also des Arbeitspunktes bei ruhendem Läufer) in der Mitte oder im unteren Teil des fallenden Bereiches der Charakteristik der Tunneldiode bringt es mit sich, dass eine
Verschiebung des Arbeitspunktes aus der Ruhelage P in das Gebiet kleinerer Spannung, zunächst mit einer merklichen Erhöhung des Stromes J verbunden ist, während umgekehrt eine Verschiebung des Arbeitspunk- tes nach rechts, also in das Gebiet höherer Spannungen, zunächst eine Verminderung des Stromes, zu- mindest aber ein langsameres Anwachsen des Stromes J als bei der gleichenVerschiebung desArbeitspunk- tes nach links zur Folge hat.
Damit lässt die Tunneldiode während der Halbdrehung A prinzipiell einen grösserenStrom aiswährend derHalbdrehungB über den Stator fliessen, der natürlich vonderBetriebsstrom- quelle geliefert wird, solange die Umdrehungsgeschwindigkeit des Läufers genügend klein ist.
Anderseits sieht man auch ein, dass bei entsprechend hoher Umlaufgeschwindigkeit des Läufers schliesslich der Strom in der Halbdrehung B grösser als in der Halbdrehung A werden muss, da bei entsprechend grosser Entfernung der Grenzlagen P'und p" des Arbeitspunktes von der "Ruhelage" Po schliesslich der der Lage P"entspre- chende Strom auf Grund der Gestalt der Charakteristik der Tunneldiode notwendig kleiner als der in der Lage P'fliessende Strom werden muss, zumal ja schliesslich bei entsprechend hoher Drehgeschwindigkeit des Läufers der Arbeitspunkt P"schliesslich in den Sperrbereich der Charakteristik der Tunneldiode gelangen muss. Dies ist jedoch nur dann erreichbar, wenn der Läufer durch entsprechend bemessene äussere Kräfte, nicht aber durch das Feld des Statorstromes, in Umdrehung versetzt wird.
Falls der Ruhearbeitspunkt Po in den fallenden Teil der Charakteristik der Tunneldiode gelegt ist, existiert eine von Null verschiedene Umdrehungszahl nu, four die der Strom im Stator während der Halbdrehung A gleich dem Strom während der Halbdrehung B ist, während für alle Drehzahlen, die kleiner als nk sind, der Strom während der Halbdrehung B kleiner als der Strom während der Halbdrehung A ist. Im Bereich dieser Drehzahlen n < nk ist dieTunneldiode stets in Flussrichtung geschaltet, so dass die Richtung des Stromes in der Halbdrehung A von der Richtung des Stromes in der Halbdrehung B nicht verschieden ist.
Folglich wird auch das Magnetfeld des Stators während der Halbdrehung A grösser als während der Halbdrehung B. Dasselbe gilt auch für die auf den Läufer durch dasStatorfeld in einander korrespondierenden (d. h. um 1800 auseinanderliegenden) Stellungen des Läufers ausgeübten Drehmomente, so dass der Gesamtdrehimpuls DA, den das Magnetfeld des Stators und damit die Betriebsspannungsquelle dem Läufer während der Halbdrehung A zuführt, notwendig grösser als der entsprechende Drehimpuls DB während der Halbdrehung B ist. Da die beiden Drehimpulse entgegengesetzt gerichtet sind, wird dem Läufer während einer vollen Umdrehung der Drehimpulse 5 = DA - DB zugeführt, solange die Drehzahl kleiner als nk ist.
Ein Teil dieses Drehimpulses wird noch von der Reibung in den Achsenlagern pro Umdrehung verzehrt, so dass der Betrag 17 = DA-DB-6'für Arbeitsleistung herangezogen werden kann.
Demnach ist der Betrieb als Motor nur bis zu einer kritischen Drehzahl nk theoretisch möglich, die jedoch in der Praxis nicht erreicht wird, da selbst im Leerlauf der Motor noch Energie verbraucht. Es müssen sich also die in den Grenzlagen P"und P'des Arbeitspunktes fliessenden Ströme hinreichend stark voneinander unterscheiden, damit der Motor überhaupt in Drehung gelangen kann. Es ist ausserdem darauf hinzuweisen, dass der Motor in den meisten Fällen angeworfen werden muss, was z. B. für den Fall, dass der Läufer beim Einschalten der Betriebsspannung die Gleichgewichtslage cp = 00 liegt, verständlich ist, da das
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Statorfeld bestrebt ist, den Läufer gerade in diese Stellung zu bringen.
Ist dagegen die Anfangsstellung zufällig gleich 1800, so ist, wie ebenfalls verständlich, ein solches Anwerfen nicht notwendig. Des- gleichen ist der Drehsinn des Motors nicht eindeutig festgelegt. Man muss also, um einen bestimmten
Drehsinn des Motors zu erzwingen, entweder den Läufer in der gewünschten Anfahrtsrichtung anwerfen i oder eine besondere Anfahrtsschaltung, gegebenenfalls unter Ausnutzung des Hall-Effektes, verwenden.
In den Diagrammen der Fig. 3 und 4 ist im Diagramm der Fig. 3 der Statorstrom J in Abhängigkeit von der
Winkelstellung cp des Läufers dargestellt, der in den Stellungen = 00 und cp = 1800 gleich dem Ruhestrom
JO (der dem Arbeitspunkt Po entspricht) wird. Während der Halbdrehung B, also von cp = 0 bis cp = 1800, ist der Betriebsstrom kleiner, während der Halbdrehung A dagegen grösser. Das Minimum bzw. Maximum des Stromes wird offensichtlich erreicht, wenn der Arbeitspunkt seine Grenzlagen P'und P" erreicht hat, was, weil die Winkelgeschwindigkeit des Läufers (vgl. Fig. 6) nicht gleichförmig ist, im allgemeinen nicht bei cp = 900 bzw. cp = 270 , sondern etwas vorher der Fall ist.
Das auf den Läufer ausgeübte Drehmoment M, das in Fig. 4 in Abhängigkeit von cp aufgezeichnet ist, hat ein ähnliches asymmetrisches Verhalten und ist überdies in der Halbdrehung B nicht nur kleiner als in der Halbdrehung A, sondern dem in der Halbdrehung A gegebenen Drehmoment entgegengesetzt ge- richtet.
Wenn der Läufer ideal reibungslos laufen würde, müsste die sich im Leerlauf des Motors ergebende
Drehzahl n bis auf den bereits genannten kritischen Wert nk sich steigern, um dann diesen Wert konstant beizubehalten. Denn solange n < nk ist, wird während der Halbdrehung A ein grösseres Drehmoment als es dem Drehmoment während der Halbdrehung B entspricht, auf den Läufer einwirken. Wird dagegen n > nk, so wird umgekehrt das Bremsmoment stärker, so dass beim idealen Motor die Drehzahl nk sich stabil einstellen wird, Die Reibung beim realen Motor addiert sich in ihrer Wirkung zum Bremsmoment der Halbdrehung B. Folglich wird die Drehzahl n des Motors sich bereits auf einen Wert n < nk stabilisie- ren, der umso niedriger liegt, je grösser die Reibungsverluste sind.
Eine zusätzliche Belastung des Motors wirkt sich im gleichen Sinne aus, so dass die Drehzahl von der Höhe der Belastung abhängig ist.
Es wurde bereits bemerkt, dass gegebenenfalls bis zu drei Schnittpunkten zwischen der Charakteristik der Tunneldiode und der Charakteristik der übrigen den Statorkreis bildende Elemente möglich sind. Not- wendig für das Auftreten mehrerer Arbeitspunkte ist, dass die Kennlinie J = (E-U) /W dieser Elemente we- niger steil als der fallende Teil der Diodencharakteristik verläuft. In diesem Falle ist ebenfalls der Be- trieb als Motor möglich, was an Hand der Fig. 5 erläutert wird. Diese. zeigt wieder das Spannungsdia- gramm einer steuernden Tunneldiode. Die Ruhecharakteristik I der übrigen den Stator bildenden Elemen- te ist so gewählt, dass sie die Kennlinie der Tunneldiode in einem Arbeitspunkt Pa links vom Maximum a, in einem Arbeitspunkt P im fallenden Bereich und in einem Arbeitspunkt P der rechts von Pb liegt, trifft.
Der Arbeitspunkt Pa und der Arbeitspunkt P c ist stabil, der Arbeitspunkt Pb dagegen instabil, so dass sich in Wirklichkeit nur der Arbeitspunkt Pa bzw. Pc einstellen kann. Nach dem Einschalten der Betriebs- spannung stellt sich zunächst der Arbeitspunkt Pa links vom Maximum ein. Wird der Motor in Drehung versetzt, so wird während der Halbdrehung A die Spannung vermindert. Gleichzeitig vermindert sich aber auch der Strom. Während der Halbdrehung A wandert der Arbeitspunkt zunächst nach links, etwa bis zum
Punkt P" und kehrt dann wieder nach Pa zurück. Falls die während der Halbdrehung A aufgenommene
Energie entsprechend hoch ist, wandert während der anschliessenden Halbdrehung B der Arbeitspunkt nach
P', um am Schlusse der Halbdrehung B nach Pc zu gelangen.
Während der anschliessenden Halbdrehung A wandert der Arbeitspunkt nach P"und am Schlusse der Halbdrehung A wieder nach Pa Sobald der wäh- rend der Halbdrehung A (also bei der Verschiebung des Arbeitspunktes von P nach P'und wieder zurück nach Pa) fliessende mittlere Strom im Vergleich zu dem während der Halbdrehung B (also bei der Ver- schiebung des Arbeitspunktes von Pc nach P'und wieder zurück) fliessenden Strom gross genug ist, um das auftretende Bremsmoment zu überwinden, ist der Betrieb als Motor ebenfalls gegeben.
Diese Betriebsart verlangt, dass der Arbeitspunkt Pa möglichst nahe dem Maximum A und der Arbeitspunkt P möglichst nahe dem Maximum B liegt, weil beim Übergang aus der Drehung A in die Halbdrehung B zunächst ein stärkerer Strom als während der Halbdrehung A fliesst. Damit ist der Wirkungsgrad eines solchen Motors schlechter, als wenn nur ein einziger Ruhearbeitspunkt eingestellt ist.
Um den Wirkungsgrad des Motors zu verbessern empfiehlt es sich, mehrere Statorschleifen anzuwenden. Diese sind dann zweckmässigerweise gekreuzt. Bei Verwendung mehrwindiger Spulen empfiehlt es sich, diese mit ihren Achsen in der Drehebene des Läufers, u. zw. so anzuordnen, dass die eine Stirnfläche jeder Spule dem Läufer gegenübersteht und die Achsen der Spule sich radial nach aussen erstrecken.
Wenn auch gewisse Toleranzen bezüglich der elektrischen Eigenschaften der Tunneldiode oder Leiterschleifen bzw. Spulen den Betrieb als Motor nicht gefährden, so ist es doch im Interesse gleichbleibender
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Verhältnisse zweckmässig, diese Elemente bezüglich ihrer elektrischen Eigenschaften möglichst gleich- mässig zu wählen.
In Fig. 6 ist ein Motor entsprechend der Lehre der Erfindung dargestellt, dessen Stator aus mehreren miteinander gekreuzten Leiterschleifen bzw. Feldspulen besteht, deren Ebenen sich in der Drehachse des Läufers schneiden, wobei jeder von je einer die Leiterschleife bzw. Spule des Stators zugeordneten Tunneldiode so gesteuert ist, dass beim Herausdrehen des Läufers aus der Ebene der betreffenden Leiterschlei- fe bzw. Spule des Stators der Strom durch diese Leiterschleife bzw. Spule sich verringert. beim Hinein- drehen des Läufers in diese Ebene dagegen sich vergrössert, wobei die einzelnen Leiterschleifen mit ihren jeweils zugeordneten Tunneldioden bezüglich der Betriebsspannungsquelle parallelgeschaltet sind.
Im Falle des Beispiels nach Fig. 6 sind drei Leiterschleifen Spa, Spb, Spc vorgesehen, deren Ebenen um gleiche Winkelabstände (im Beispielsfalle 120 ) gegeneinander verdreht sind und in deren gemeinsamer Schnittachse die Drehachse des Läufers L, der wieder als Stabmagnet ausgebildet ist, angeordnet ist.
Zur Speisung des Stators dient eine Gleichspannungsquelle G, der gegebenenfalls ein Kondensator C zur Verkleinerung des Wechselstromwiderstandes der Stromquelle parallelgeschaltet sein kann. Die Tunneldioden Ta-Tc, von denen je eine einer der Stromschleifen Spa - Spc zugeordnet ist, liegen bezüglich der Gleichspannungsquelle in Flussrichtung, u. zw. derart, dass ihre Arbeitspunkte bei ruhendem Läufer im fallenden Bereich der Stromspannungscharakteristik der Dioden liegen. Durch die Anwendung eines solchen Stators, der natürlich auch mehr als drei Leiterschleifen bzw. Spulen enthalten kann, erhält der Läufer immer, wenn er sich um einen entsprechenden Winkel weitergedreht hat, einen neuen Impuls in der einmal angenommenen Drehrichtung.
Im allgemeinen wird man die Tunneldioden und Widerstände der Stromschleifen des Stators möglichst gleich wählen, so dass eine gesonderte Einstellung der Arbeitspunkte, etwa durch den einzelnen Leiterschleifen zugeordnete Regelwiderstände, nicht erforderlich ist. Zur Einstellung des Arbeitspunktes genügt dann ein gegebenenfalls regelbarer Widerstand, der allen Leiterschleifen des Stators gemeinsam vorgeschaltet ist.
Wenn statt der Leiterschleife mehrwindige Feldspulen verwendet werden, deren Achse den Läufer strahlenartig umgeben, so empfiehlt es sich, eine gerade Anzahl solcher Spulen zu verwenden, und einander gegenüberliegende Spulen zu je einem Spulenpaar zusammenzufassen. Es empfiehlt sich ferner, die beiden Spulen jedes Paares unter Beachtung ihres Wicklungssinnes derart hintereinanderzuschalten, dass die dem Läufer zugewandte Stirnseite bei der einen Spule nordmagnetisch, bei der andern südmagnetisch ist und dass beide Spulen durch eine einzige Tunneldiode gesteuert werden.
Sind mehrere solcher Spulenpaare vorgesehen, so empfiehlt es sich zur Vergleichmässigung der Drehgeschwindigkeit, die Spulenpaare in ungerader Anzahl vorzusehen und dafür zu sorgen, dass die magnetische Polarität zweier benachbarter Spulen entgegengesetzt ist. Eine derartige Anordnung ist in Fig. 7 dargestellt, wobei die Spulenpaare Spa, Spa', Spb, Spb', Spc, Spc'und der Tunneldioden Ta, Tb, Tc entweder nach Art der Fig. 6 oder auch nach Art der noch zu beschreibenden Fig. 8 an die Stromquelle G gelegt sein können.
Bei Verwendung mehrerer Spulen mit unterschiedlicher Steuerung durch Tunneldioden ist es ferner zweckmässig darauf zu achten, dass sich die Spulen gegenseitig möglichst wenig beeinflussen können.
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schirmkäfigen untergebracht sein, welche nur den von der dem Läufer zugewandten Stirnseite ausgehenden Kraftfluss austreten lassen und eine seitliche Streuung der Kraftlinien möglichst unterdrücken. Eine solche Abschirmung ist bei den Spulen in Fig. 7 durch gestrichelte Linien angedeutet. Die Spulen in Fig. 7 können ausserdem in bekannter Weise mit je einem zur Verstärkung des magnetischen Kraftflusses dienenden Eisenkern versehen sein.
Da der Betrieb von Tunneldioden verhältnismässig niedrige Spannungen erfordert, ist bei Verwendung der üblichen im allgemeinen höher gespannten Betriebsstromquellen die Anwendung eines Vorschaltwiderstandes erforderlich. In diesem wird jedoch ein erheblicher Anteil der von der Vorrichtung aufgenommenen Energie nutzlos verbraucht. Es wäre deshalb bei Verwendung der üblichen Stromquellen zweckmässig, entweder die Feldspulen des Motors, z. B. nach Fig. 7, bezüglich der Betriebsspannungsquelle statt parallel hintereinanderzuschalten oder mehrere Motoren gleichzeitig zu betreiben und in Serie mit der Betriebsspannung zu legen.
Dabei ergeben sich jedoch Schwierigkeiten, da das Verhalten des Arbeitspunktes mehrerer hintereinandergeschalteter Tunneldioden instabil ist und aus der zum Betrieb des Motors notwendigen Lage bereits bei der geringsten Störung herauskippt.
Um diesen Nachteil zu beseitigen wird gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgeschlagen,
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dass bei Verwendung mehrerer Gruppen aus Feldspulen und Tunneldioden, bei denen mindestens eine Feld- spule und eine Tunneldiode hintereinandergeschaltet sind, diese Gruppen bezüglich der Betriebsstrom- quelle zu einer Kette hintereinandergeschaltet werden, wobei jeder Gruppe ein Kondensator derart zu- geordnet wird, dass er sowohl diese Gruppe als auch die-von der Betriebsstromquelle aus gesehen - nach- , geschalteten Gruppen der Kette überbrückt.
Der Ruhearbeitspunkt sämtlicher Tunneldioden, die ebenso wie die Feldspulen und Kondensatoren möglichst gleich dimensioniert sein sollen, sind bei ruhendem
Läufer (bzw. bei ruhenden Läufern) durch entsprechende Wahl der Spannung der Betriebsstromquelle in den fallenden Teil der Kennlinien bei sämtlichen Tunneldioden gelegt. Ferner empfiehlt es sich, die Kapa- zitäten der Kondensatoren so gross zu wählen, dass bei nicht durch äussere Kräfte erzwungenen Drehungen des Läufers die durch die Induktion des Läufers in den Spulen hervorgerufenen Spannungsänderungen die
Spannungen der an den Kondensatoren gegenüber den bei ruhenden Läufern geltenden Werten nur unwe- sentlich, vorzugsweise weniger als 1 % verändern, und dass durch die von der Tunneldiode gesteuerten
Stromimpulse die Spannungen der Kondensatoren nicht wesentlich verändert werden.
Handelt es sich z. B. um den Betrieb eines Motors, dessen Stator sechs Spulen besitzt, von denen je- de durch je eine Tunneldiode gesteuert wird, so führt diese Schaltweise zu dem in der Fig. 8 dargestell- ten Bild. Die Spulen sind mit Spa-Spf, die zugehörigen Tunneldioden mit Ta-Tf, die zugehörigen
Kondensatoren mit Ca - Cf und die Betriebsstromquelle mit G bezeichnet. Die Spulen liegen mit den zu- gehörigen Tunneldioden bezüglich der Betriebsstromquelle G in Reihe und werden durch die Kondensato- ren Ca - Cf derart überbrückt, dass mit Ausnahme der letzten Gruppe, die von der Spule Spf und der Tun- neldiode Tf gebildet wird, je eine Gruppe aus Tunneldioden und Spulen sich zwischen zwei Querkonden- satoren befindet.
Ferner kann noch jede der einzelnen Gruppen, mit Ausnahme der letzten, durch je einen Widerstand
Ra - Re überbrückt sein, der zweckmässig von der Grössenordnung der Widerstände der Tunneldioden bei ruhendem Läufer oder kleiner ist und der ebenso wie eine notwendige hohe Eigenkapazität der Querkon- densatoren Ca - Cf dafür sorgt, dass die durch die Drehungen des Läufers induzierten Spannungen die Spannung dieser Kondensatoren möglichst wenig beeinflussen, denn dievorgeschlagene Schaltung wird umso sicherer arbeiten, je weniger die Spannungen an den Kondensatoren Ca - Cf durch die Umdrehung des Läufers geändert werden. Die Spulen Spa-Spf können natürlich auch aus zwei Spulen nach Art von Fig. 7 zusammengesetzt sein.
Es empfiehlt sich ferner auch in der Schaltung nach Fig. 8 die Spulen Spa - Spf in der Reihenfolge hintereinanderzuschalten, in der sie auch im Stator angeordnet sind.
Beträgt die Spannung der Betriebsstromquelle E Volt, so liegt bei Abwesenheit eines Vorschaltwiderstandes und gleicher Dimensionierung der Bestandteile bei der Schaltung nach Fig. 8 bei ruhendem Läufer am Kondensator Cb die Spannung 5/6 E, am Kondensator Cc die Spannung 4/6 E, am Kondensator Cd die Spannung 3/6 E, am Kondensator Ce die Spannung 2/6 E und am Kondensator Cf die Spannung 1/6 E. Dementsprechend verhält sich jede der Tunneldioden so, als ob an ihr und der zugehörigen Spule die Spannung E/6 läge.
Soll die Spannung an den Kondensatoren sich um höchstens a % ändern, so wird dies im Falle der Fig. 8 mit Sicherheit erreicht, wenn die Kapazität der Kondensatoren Ca - Cf mindestens gleich
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fliesst, so wird dem Kondensator während dieser Zeit die Ladung Q = Jrnax* zugeführt, was eine Spannungserhöhung am Kondensator von AV = Jmax't/2C zur Folge haben muss. Am Kondensator mit der niedrigsten Spannung liegt die Spannung von E/6 Volt bei ruhendem Läufer. Soll AV höchstens a % dieser t a E
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schätzung ergibt. In Wirklichkeit kann der Wert von C insbesondere bei Verwendung zusätzlicher Übertragungswiderstände Ra - Re wesentlich kleiner gewählt werden.
Da somit die Spannungen der Kondensatoren Ca - Cf in diesem Falle sich gegenüber den bei ruhendem Läufer geltenden Werten nur unwesentlich ändern können, verhalten sich die Tunneldioden und Feldspulen jeder Gruppe so, als ob an ihnen die konstante Spannung E/6 Volt läge. Dadurch ist eine stabilisierende Wirkung auf die Arbeitspunkte der Tunneldioden erreicht, die den stabilen Betrieb eines solchen Motors mit mehreren hintereinander geschalteten Tunneldioden ermöglicht. Der jeder Gruppe vorgeschaltete Kondensator wirkt als Betriebsstromquelle für die zugehörige Gruppe und Tunneldiode, über die die zum Betrieb der folgenden Gruppe notwendige Spannung dem nachgeschalteten Kondensator zugeführt wird.
Da aber anderseits die Spannung an den Kondensatoren vom Betriebszustand der Tunneldioden unabhängig wird, ist auch gleichzeitig eine gegenseitige Beeinflussung dieser Tunneldioden weitgehend eliminiert.
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Nimmt man nun an, dass durch die Bewegung des Läufers in der Spule Spa in der Schaltung nach
Fig. 8 die durch die Bewegung des Läufers auf Grund des Magnetfeldes grösstmögliche, der Spannung am
Kondensator Ca gegenpolig Spannung induziert ist und der Strom durch die Tunneldiode Ta in diesem
Zustand ebenfalls den grössten Wert erreicht, so ist die nächstfolgende Tunneldiode Tb hochohmiger als die Tunneldiode Ta'weil der Läufer gegenüber der folgenden Spule Spb noch nicht die Lage einge- nommen hat, der die Entstehung des maximalen Stromes durch Tb ermöglicht. Folglich wird der über Ta fliessende Strom grösser als der überTb mögliche Strom sein, so dass der Kondensator Cb zunächst zu seiner
Ruheladung eine zusätzliche Ladung erhält.
Der verstärkte Strom durch Spa treibt den Läufer in der angenommenen Drehrichtung weiter. Dadurch kommt jetzt die Spule SPb in die Stellung, die vorher die Spule SPa innehatte, so dass nunmehr durch Tb der maximale Strom fliesst, während Ta und Tc entsprechend hochohmiger sind. Deshalb fliesst Ladung von Tb nach Tc, während der Ladungsfluss von Ta nach Tb zurückgeht. Durch die Weiterdrehung des Läu- fers werden dann sukzessive die folgenden Tunneldioden Tc, Td usw. in den Zustand maximaler Strom- leitung geschaltet. Deshalb werden bei jeder Umdrehung von der Betriebsstromquelle zum Ruhestrom
Stromimpulse aufgenommen, die sukzessive von einem Kondensator zum andern fliessen. Diese Strom- impulse treiben den Läufer in dem einmal angenommenen Bewegungssinn weiter.
Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass es möglich ist, auch als Läufer eine Spule zu verwenden.
Ein solcher Fall ist in Fig. 9 dargestellt. Der Läufer besteht aus einer selbsttragenden Spule L, der über die aus leitendem Material bestehenden Drehachsen a, a'bzw. den Halterungen dieser Drehachsen der von der
Betriebsstromquelle G gelieferte Strom zugeführt wird. Der Stromkreis enthält ausserdem noch die steuern- de Tunneldiode T, während der Stator von dem permanenten Magneten H gebildet wird.
Diese Anordnung lässt noch eine Abwandlung dahingehend offen, dass auf die Anwendung eines per- manenten Magneten ganz verzichtet werden kann. Eine solche Schaltung ist in Fig. 10 dargestellt. Der
Läufer besteht wieder aus einer Spule L, der über die Drehachsen a, a'und die Halterung der Drehachse der zur Erzeugung eines magnetischen Moments notwendige Betriebsstrom zugeführt wird. Die Läuferspule L ist in Reihe mit den beiden Feldspulen Spa und Spa'geschaltet, die so vom Betriebsstrom durchflossen werden, dass das dem Läufer zugewandte Ende der einen Spule nordmagnetisch und das der andern Spule dagegen südmagnetisch ist.
Der Strom wird von der Betriebsstromquelle G geliefert und durch eine in Flussrichtung gepolte Tunneldiode entsprechend der Lehre der Erfindung gesteuert. Die Anordnung hat den Vorteil, dass während der HalbdrehungA sowohl das magnetische Moment des Läufers als auch das Feld des Stators grösser als in der Halbdrehung B ist.
Durch die Verwendung von Tunneldioden, die auf der Basis gewisser AIIIBy-Verbindungen, z. B. von Galliumarsenid, aufgebaut sind, ist es möglich, im Maximum A einen Strom von 10 A und mehr, in Mi- nimum B dagegen einen Strom von 500 mA und weniger mit einer einzigen Tunneldiode zu erzielen. Dies ist'ohne weiteres ausreichend für den Betrieb als Motor entsprechend der Lehre der Erfindung. Insbesondere, wenn eine Schaltung entsprechend Fig. 8 angewendet wird, ist es möglich, auch einen Motor für grössere Leistungen auf dieser Grundlage herzustellen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Kollektorloser, durch einHalbleiterbauelement gesteuerter Gleichstrommotor mit einem ein Magnetfeld erzeugenden Stator, bei dem der Läufer durch das Magnetfeld einer vom Betriebsstrom durchflossenen ein- oder mehrwindigen Spule in Rotation versetzt wird, wobei das Halbleiterbauelement den Betriebsstrom derart steuert, dass eine einsinnige Drehung des Läufers möglich ist, gekennzeichnet durch mindestens eine in Flussrichtung gepolte-Tunneldiode im Stromkreis der Spule, deren Arbeitspunkt bei ruhendem Läufer im fallenden Teil ihrer Stromspannungscharakteristik so eingestellt ist,
dass die während einer Halbdrehung A des freigegebenen Läufers in der Spule induzierte Spannungsverminderung zu einem höheren Strom in der Spule als die während der andern Halbdrehung B in der Spule induzierte Spannungserhöhung führt und der während der Halbdrehung A vom Läufer aufgenommene Drehimpuls grösser als das während der Halbdrehung B auf den Läufer ausgeübte Bremsmoment ist.