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Die Erfindung betrifft einen Gleichstrommotor mit permanentmagnetischem Rotor und elektronischer Kommutierschaltung, der einen Stator mit angezapften Wicklungen aufweist und daran angeschlossene Wicklungsumschalter für Betriebsarten einerseits mit kleinerer, anderseits mit grösserer wirksamer Windungsanzahl wobei letztere einer niedrigeren Drehzahl entspricht als erstere. Der erfindungsgemässe Gleichstrommotor soll insbesondere als Antriebsmotor einer Waschmaschine Verwendung finden.
Während die üblichen, mit Bürsten kommutierten Gleichstrommotoren zahlreiche vorteilhafte Eigenschaften aufweisen, wie beispielsweise die Einfachheit einer Änderung von Drehzahl und Drehsinn, haben sie auch einige Nachteile, wie Bürstenabnutzung, elektrisches Rauschen und Rundfunkstörungen, hervorgerufen durch Funkenbildung zwischen den Bürsten und den Kommutatorsegmenten, wodurch ihre Anwendbarkeit auf einigen Gebieten, etwa bei Haushaltsgeräten, begrenzt wird. Es sind deshalb bereits bürstenlose Gleichstrommotoren mit elektronischer Kommu-
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Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass aus der US-PS Nr. 3, 651, 368 ein Hall-Motor bekannt ist, bei dem Hall-Elemente neben dem permantentmagnetischen Rotor eines bürstenlosen Gleichstrom- motors angeordnet sind, der angezapfte Erregerwicklungen und zweipolige Umschalter zur Erzie- lung eines reversiblen Betriebes mit veränderbarer Drehzahl aufweist.
Ferner offenbart die
US-PS Nr. 4, 167, 692 einen für den Antrieb der Tonwelle bei Magnetbandgeräten bestimmten bürsten- losen Gleichstrommotor in Flachspulenbauart, bei dem die Rotorposition durch Hall-Elemente abgetastet wird und der Motor mittels zweier in Serie oder parallel schaltbarer Statorwicklungs- abschnitte oder mittels mittig angezapfter Statorwicklungen, von denen bei Betrieb mit niedriger
Drehzahl alle Windungen und bei Betrieb mit hoher Drehzahl nur die Hälfte der Windungen ange- schaltet werden, mit niedriger oder hoher Drehzahl angetrieben werden kann.
Dieser Stand der Technik gibt aber weder eine Lehre, noch auch nur eine Anregung zu der erfindungswesentlichen Wahl des Verhältnisses der wirksamen Windungsanzahl bei den verschie- denen Betriebsdrehzahlen entsprechend dem Verhältnis der zugeordneten Soll-Drehmomente und zu einer Regelung bzw. Begrenzung des Stromes über die Wicklungen, wodurch es möglich ist, ein hohes Drehmoment bei niedriger Drehzahl bzw. ein niedriges Drehmoment bei hoher Drehzahl jeweils bei im wesentlichen gleichem Stromwert zu erzielen.
Die Eigenschaft, dass das Drehmoment für jede Betriebsart des erfindungsgemässen Motors im wesentlichen bei dem gleichen vorgegebenen Stromwert erzielt werden kann, ist besonders erwünscht, wo ein Lastbetrieb mit verschiedenen Drehzahlen und unterschiedlichen Drehmomenten gefordert wird, etwa bei Haushaltsgeräten und hier vor allem bei Waschmaschinen. Ein erfin- dungsgemässer elektronisch kommutierbarer Motor entwickelt bei Waschmaschinen in der Waschphase das höhere Drehmoment ohne jene Zunahme des Stromes, die in herkömmlichen Waschmaschinen auftritt und entweder hohe Kosten für Hochstrom-Kommutierungstransistoren verursacht oder ein kostspieliges Zweiweggetriebe mit hohem Untersetzungsverhältnis zum Antrieb des Korbes während der Waschphase erforderlich macht.
In der Schleuder- oder Trockenphase, in der nur ein niedriges
Drehmoment erforderlich ist, läuft der Motor mit hoher Drehzahl.
Vorteilhaft ist die Kommutierschaltung bei Betrieb mit niedrigerer Drehzahl, wie an sich bekannt, hinsichtlich der Drehrichtung umsteuerbar.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Begrenzer- oder Regelkreis vom Spannungsabfall an einem Widerstand beaufschlagbar, der in einer den Summenstrom der Statorwicklungen führenden Leitung liegt, und er steuert seinerseits mittels eines Thyristors od. dgl. diesen Summenstrom.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 in perspektivischer Ansicht und voneinander getrennt den Stator und den Rotor einer Ausführungsform eines erfindungsgemässen elektronisch kommutierten Motors, Fig. 2 ein schematisches Schaltbild der Wicklungsanordnung des Motors nach Fig. l, die Fig. 3 und 4 Wicklungsanordnungen im Stator des Motors nach Fig. 1, Fig. 5 das Schema einer Waschmaschine mit einem Antrieb, der einen elektronisch kommutierbaren Motor nach Fig. 1 enthält, Fig. 6A eine Steuerschaltung für einen elektronisch kommutierbaren Motor nach Fig. 1, an welcher die Prinzipien zum erfindungsgemässen Betrieb eines solchen Motors erläutert werden, Fig. 6B ein Diagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der Steuerschaltung nach Fig.
6A, Fig. 7 ein Diagramm der Beziehung zwischen Drehzahl und Drehmoment bei Betrieb eines Motors nach Fig. 1 mit niedriger Drehzahl beim Umwälzen des Waschgutes während des Waschvorganges, und Fig. 8 ein weitres Diagramm der Beziehung zwischen Drehzahl und Drehmoment für den gleichen Motor bei Betrieb desselben mit hoher Drehzahl zum Austreiben des Wassers während des Schleudervorganges. In allen Zeichnungen sind einander entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1 ist ein erfindungsgemässer elektronisch kommutierter Motor --M-- dargestellt, der einen Stator-l-und einen permanentmagnetischen Rotor --3-- mit einer Welle --5-aufweist. Die Rotorwelle --5-- ist in üblichen (nicht dargestellten) Lagern so gelagert, dass sich der Rotor im Inneren der Bohrung des Stators --1-- drehen kann. Der Rotor hat einen ferromagnetischen Kern--7--, der aus einer Anzahl von dünnen, flachen, kreisförmigen ferromagnetischen Lamellen besteht, welche miteinander und mit der Welle --5-- verbunden sind.
Acht im wesentlichen identische, relativ dünne bogenförmige Segmente --9-- aus permanent-
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magnetischem Material (z. B. vom keramischen Typ oder Kobalt-Samarium, AlNiCo usw.), die je einen relativ konstanten magnetischen Fluss erzeugen, sind, beispielsweise mit Hilfe eines
Klebstoffes, am Rotorkern --7-- befestigt. Jedes dieser Segmente überspannt einen Bogen von etwas weniger als 45 und ist in bezug auf den Rotorkern --7-- radial polarisiert, wobei benach- barte Segmente, wie dargestellt, jeweils gegensinnig polarisiert sind.
An Stelle der zur Erläu- terung der Erfindung beschriebenen Magnete --9-- am Rotor --3-- kann im Rahmen der Erfin- dung natürlich auch ein Rotor anderer Bauart mit Magneten verwendet werden, die sich sowohl hinsichtlich der Anzahl der Gestalt und der Flussfelder von den beschriebenen Magneten unter- scheiden.
Der Stator-l-kann ebenfalls aus dünnen ferromagnetischen Lamellen --10-- aufgebaut sein, wie dies bei Wechselstrommotoren üblich ist, und diese Lamellen können von vier Klammern - zusammengehalten werden, die je in einer Nut --13-- an jeder Ecke des Statorkernes angeordnet sind. Alternativ können die Lamellen des Statorkernes auch auf andere Weise, wie beispielsweise durch Schweiss- oder Klebverbindungen oder auch bloss durch die Statorwicklungen zusammengehalten werden, wie dies dem Fachmann ohne weiteres ersichtlich ist. Die Statorbohrung wird durch 24 einwärts gerichtete Zähne --15-- und 24 axiale Nuten --17-- begrenzt, in welchen
Wicklungen --19-- so angeordnet sind, dass sie 8 Statorpole bilden.
Die Wicklungsenden sind vom Stator herausgeführt und getrennt mit einer Steuerschaltung und einer zugeordneten Schalteinrichtung verbunden. An Stelle des zur Erläuterung dargestellten Stators können im Rahmen der Erfindung auch andere Bauarten mit unterschiedlicher Anzahl von Zähnen und Nuten verwendet werden.
Der beschriebene Motor --M-- ist ein dreistufiger, achtpoliger Motor, doch versteht sich, dass der erfindungsgemässe elektronisch kommutierte Motor 2-, 4-, 6-usw. polig sein kann und 2,3, 4 oder mehr Wicklungsstufen aufweisen kann. Fig. 2 zeigt schematisch eine mehrstufige Wicklungsanordnung für die Statorwicklung --19-- mit 3 Wicklungsstufen-S1, S2 und S3--, von denen jede aus drei Sätzen von Spulen --Sla bis SlC, S2A bis S2C und S3A bis S3C-- besteht, die je eine vorgegebene Anzahl von Windungen eines elektrischen Leiters aufweisen. Jede Wicklungsstufe hat eine Endklemme-Tl, T2 bzw. T3-- und eine Anzapfung-11, 12 bzw. 13--.
Es ist erkennbar, dass die Spulen --SlA, S2A und S3A-- angezapfte Abschnitte der Wicklungsstufen bilden. Die andern Endklemmen aller Wicklungsstufen sind bei --C-- miteinander verbunden.
Es versteht sich, dass im Rahmen der Erfindung eine beliebige Anzahl von Wicklungsstufen, die grösser als 2 ist, angewendet werden kann, und ebenso eine bliebige Anzahl von Spulensätzen, Endklemmen und Anzapfungen, die grösser als 2 ist.
Bei der mehrstufigen Wicklungsanordnung nach Fig. 3 sind die Windungen in Strähnen gewickelt, wobei jede Wicklungsstufe von drei Sätzen von Spulen eines elektrischen Leiters gebildet wird, z. B.-S1A, S1B und S1C-. Jede Spule wird durch kreisförmiges Verlegen der gewünschten Anzahl von Windungen und anschliessendes Biegen der im allgemeinen kreisförmigen Spule in eine im allgemeinen kreuzförmige Gestalt durch Anwendung eines einwärts gerichteten Druckes in der Ebene in Winkelabständen von 900 hergestellt, wodurch vier im allgemeinen U-förmige Schleifen erhalten werden, die sich in einer Ebene radial auswärts erstrecken.
Jede Schleife wird dann unter einem rechten Winkel aus der Ebene der Spule herausgebogen, so dass sie sich alsdann in axialer Richtung erstreckt und die Spule eine im wesentlichen zylindrische Form annimmt (d. h. die Spule hat einen im wesentlichen sinusförmigen Verlauf an der Umfangsfläche eines Zylinders) mit acht im allgemeinen U-förmigen Schleifen, so dass die Seitenteile der Windungen derselben in die Statornuten eingeführt werden können.
Zur Erleichterung der Handhabung, insbesondere der Einführung in die Statornuten und der Anbringung der Anzapfungen-11, 12 und 13--, werden für jede Wicklungsstufe drei Sätze von Spulen verwendet. Die Schleifen der Spulensätze --S2A, SlA und S3A-- werden der Reihe nach so in Statornuten eingeführt, dass jede Schleife eines jeden Satzes drei Statorzähne --15-- überspannt, wobei der Spulensatz --S2A-- drei Zähne überspannt, die je um eine Nut sowohl gegen die von den Schleifen des Spulensatzes --SA1-- als auch gegen die von den Schleifen des Spulensatzes --SA3-- eingenommenen Nuten versetzt sind.
Die gleiche Reihenfolge wird beim Einführen der Windungssätze --SlB, S2B und S3B-- sowie der Windungssätze-S1C, S2C und
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S3C-- eingehalten. Die Seitenteile der Windungen eines jeden der Spulensätze der Stufe --SI-- werden in den gleichen Nuten angeordnet, und analog werden die Seitenteile der Windungen eines jeden Spulensatzes der Wicklungsstufe --S2-- in den gleichen Nuten angeordnet, aber winkelmässig um eine Nut gegenüber den andern Spulensätzen der drei Wicklungsstufen versetzt, usw.
Die Endwindungen jeder U-förmigen Schleife jedes Spulensatzes einer Wicklungsstufe werden beim Einführen in die Nuten abwechselnd so positioniert, dass die Endwindungen der Schleifen
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in Fig. 3 dargestellt, wo die mehreren Windungen einer jeden Spule durch eine einzige Linie dargestellt sind. Vier Endwindungsteile des Spulensatzes-S1C-, die sich an der in Fig. 3 sichtbaren Stirnseite des Stators befinden, sind dort sichtbar, während die andern vier End-
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die gleichen, in Abständen angeordnete Nuten --17-- eingeführt wie jene des Spulensatzes --SIC--, so dass sie die gleichen drei Statorzähne überspannen.
An die Stossstelle zwischen den Spulensätzen-S1A und S1B-ist eine Verbindungsleitung angeschlossen, die eine Anzapfung --I1-- bildet. Ähnliche Anzapfungen-12 und 13-sind für die Wicklungsstufen --S2 und S3--. vorgesehen.
Die im allgemeinen U-förmigen Schleifen eines jeden Spulensatzes der Wicklungsstufen, die je eine von 8 Nuten einnehmen und je drei Zähne umschliessen, füllen insgesamt alle 24 vorgesehenen Statornuten aus. Es ist daher ersichtlich, dass bei seitlich aufeinanderfolgender
Erregung der Wicklungsstufen drei Sätze von acht Magnetpolen gebildet werden, die ein radiales
Magnetfeld erzeugen, welches je nach der gewählten Reihenfolge der Erregung der Stufen im
Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn in der Statorbohrung rotiert. Dieses bewegte Feld schneidet das Flussfeld der permanentmagnetischen Rotorpole --9-- und bewirkt dadurch, dass sich der Rotor --3-- gegenüber dem Stator in gewünschte Richtung dreht und so ein Drehmoment liefert, das eine direkte Funktion der Intensität der beiden Magnetfelder ist.
Eine andere mehrstufige Wicklungsanordnung, die drei Wicklungsstufen mit ähnlichen An- zapfungen aufweist und im wesentlichen in gleicher Weise wirkt wie die vorstehend beschriebene, ist in Fig. 4 dargestellt. Die Windungsspulen jeder Stufe der mehrstufigen Wicklungsanordnung nach Fig. 4 sind konzentrisch gewickelt statt in Strähnenform, wie in Fig. 3, d. h. jede Spule wird von einer Mehrzahl vollständiger Schleifen oder Windungen und nicht durch U-förmige
Schleifen gebildet. Da die Wicklungsenden und die Anzapfungen in gleicher Weise wie in Fig. 3 mit Leitungsanschlüssen versehen sind, sind hiefür auch gleiche Bezugszeichen verwendet worden.
Je Wicklungsstufe sind hiebei aber nur zwei Spulensätze von Windungen vorgesehen, wobei jeder Satz acht konzentrisch gewickelte seriengeschaltete Spulen umfasst. Die Seitenteile der Windungen jedes der beiden Spulensätze für jede Wicklungsstufe sind in durch drei Statorzähne getrennte Nuten eingeführt, so dass sich im Erregungsfall wie bei der Anordnung nach Fig. 3 acht Statorpole ergeben und sich eine winkelmässige Versetzung von einer Nut zwischen entsprechenden Spulen benachbarter Spulen ergibt. Das ist in Fig. 4 erkennbar, wo-SlA'-acht Spulen umfasst und die Seitenteile der Windungen in den gleichen Nuten --17-- wie jene der Spulen des Satzes --sub angeordnet sind.
Die Spulen des zweiten und dritten Spulensatzes sind analog aufgebaut, wie bei-S2A', S2B', S3A' und S3B'- gezeigt ist.
Obgleich vorstehend nur eine Anzapfung beschrieben worden ist, versteht sich, dass auch mehr Anzapfungen vorgesehen werden können, um den Motor --M-- mit drei oder mehr Drehzahlen zu betreiben.
Die Statorwicklungen --19-- können mit Hilfe üblicher Wickelmaschinen für Induktionsmotoren hergestellt werden. So können die Windungen der Wicklung direkt auf zum Einführen der Spulen in die Statornuten dienende Spulenzubringer aufgewickelt werden, oder die Wicklungen können auf einen Spulenaufnehmer aufgebracht, von diesem auf die Spulenzubringer übertragen und anschliessend axial in die Statornuten eingeführt werden, beispielsweise mit Vorrichtungen der in den US-PS Nr. 3, 522, 650, Nr. 3, 324, 536, Nr. 3, 797, 105 oder Nr. 3, 732, 897 beschriebenen Art. Wenngleich die mehrstufigen Wicklungsanordnung nach den Fig. 3 und 4 zum Zwecke der Erläuterung
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genauer beschrieben worden sind, versteht sich, dass auch andere mehrstufige Wicklungsanordnungen im Rahmen der Erfindung anwendbar sind.
Die Wicklungsstufen des Motors --M-- werden bürstenlos kommutiert, indem die Drehphase des Rotors während seiner Drehung in der Bohrung des Stators-l-abgefühlt wird und elektrische Signale, die in Abhängigkeit von der Drehphase des Rotors nacheinander erzeugt werden, das Anlegen einer Gleichspannung an die einzelnen Wicklungsstufen in verschiedenen vorgewählten Reihenfolgen steuern, welche die Drehrichtung des Rotors festlegen.
Als Fühler können stationäre lichtempfindliche Einrichtungen dienen, die mit einer lichtunterbrechenden Blende zusammenwirken, welche am Rotor oder an dessen Welle montiert ist, doch kann die Drehphase auch auf andere Weise abgetastet werden, um Steuersignale zu gewinnen, welche die jeweilige Drehphase des Rotors erkennen lassen, wie beispielsweise durch Fühlerkreise, welche auf die Gegen-EMK des elektrischen Kommutatormotors ansprechen und ein simuliertes Signal liefern, das die Drehphase des Motors anzeigt und die zeitliche Aufeinanderfolge des Anlegens einer Spannung an die Wicklungsstufen des Motors steuern kann.
Fig. 5 zeigt schematisch eine Waschmaschine --21-- mit einem erfindungsgemässen Motor - und einer erfindungsgemässen Antriebssteuerung. Die Waschmaschine --21-- weist einen Korb --23-- auf, der drehbar in einer (nicht dargestellten) Wanne gelagert ist, welche die Waschflüssigkeit enthält und das Waschgut aufnimmt, sowie ein koaxial montiertes Umwälzwerk - -25--, wobei der Korb und das Umwälzwerk voneinander unabhängig aber auch gleichzeitig um ihre gemeinsame Achse gedreht werden können. Das Rührwerk --25-- und der Korb --23-- dienen zum Umwälzen der Waschflüssigkeit und des Waschgutes beim Waschvorgang und anschlie- ssend zum Schleudern des Waschgutes, um aus diesem durch Zentrifugalkraft die Waschflüssigkeit auszutreiben.
Der Motor-M-ist während des Waschvorganges mit dem Rührwerk allein gekoppelt, während des Schleudervorganges hingegen sowohl mit dem Korb als auch mit dem Rührwerk, wobei die Kupplungseinheit --27-- ein mit fester Untersetzung arbeitendes Drehzahlreduktionsgetriebe enthalten kann, wie beispielsweise ein Zahnrad- oder Riemengetriebe, die Welle-5des Motors --M-- aber auch direkt mit dem Korb und mit dem Rührwerk gekuppelt werden kann.
Die dargestellte Kupplungseinheit --27-- enthält die Einrichtungen zum Antrieb der Ruhr- un Schleudereinrichtungen. Der beispielsweise von einer 115 V-Netzleitung mit 60 Hz kommende Speise-
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--29-- gleichgerichtet- weitergegeben, die in Abhängigkeit von Steuersignalen, welche Funktionen von ausgewählten Betriebspametern sind (ausgedrückt zum Teil durch ein angelegtes Befehlssignal) die Gleichstromgabe der Einheit --29-- hinsichtlich Amplitude, Dauer und Zeitfolge steuert. Im Ausgang der Einheit --31-- wird eine effektive Gleichspannung V erhalten, welche der Leistungsschalt- stufe --33-- zugeführt wird.
Die Arbeitsweise dieser Schaltstufe --33-- wird von einer Kommutierschaltung --35-- so gesteuert, dass die effektive Spannung den Wicklungsstufen des Motors --M-in einer der schon erwähnten unterschiedlichen, vorgewählten Reihenfolgen zugeführt wird.
Die Drehbewegung des Umwälzwerkes --25-- und des Korbes --23-- im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn wird daher sowohl durch angelegte Befehlssignale als auch durch die Kommu- tierschaltung --35-- gesteuert.
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deren Eingangsklemmen mit einem Wechselstromnetz verbunden sind, liefert an ihren Ausgangsleitungen --37 und 39-- eine gleichgerichtete Spannung mit dem in Fig. 6B dargestellten Verlauf WS.
In der Reihe zwischen der Leitung --37-- und einer Leitung --C--, welche zum Verbindungspunkt der drei Wicklungsstufen-S1, S2 und S3-- führt, liegt ein Siliziumthyristor --41--. In Abhängigkeit von einem Regler --43--, der den Thyristor --41-- steuert, verbindet der Thyristor --41-während der Zeiten, in welchen er jeweils leitend ist, die Leitung --37-- mit der Leitung --C--.
Die gesteuerte gleichgerichtete Spannung an den Leitungen-C und 39-- wird mittels einer Kapazität --45-- geglättet und dient als gesteuerte (eingetastete pulsierende oder ausgetastete) gefilterte Gleichspannung für die Wicklungsstufen.
Die andern Enden der Klemmen-T1, T2 und T3-- der Wicklungsstufen --Sl, S2 und S3-sind mit einem Kontakt je eines von drei gekoppelten doppelpoligen Schaltern-X1, X2 bzw.
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X3-- verbunden, die beispielsweise Kontakte eines elektromagnetischen Relais sein können. Die andern Kontakte dieser Schalter sind mit zugeordneten Anzapfungen --11, 12 bzw. 13-der Wick- lungsstufen verbunden. Die Schalt arme von --X1, X2 und X3-- sind der Reihe nach mit den Kollekto- ren von Leistungstransistoren--P1, P2 bzw. P3-- verbunden. Da diese Kontakte nur beim Über- gang von niedriger zu hoher Drehzahl oder umgekehrt geschlossen oder geöffnet werden und diese Umschaltung typischerweise lastlos erfolgt, d. h. ohne Leistungsübertragung über die Schalt- kontakte, ist die von normalen Relais zu erwartende Lebensdauer ausreichend.
Die Emitter der Transitoren--P1, P2 und P3-- sind gemeinsam mit einer Leitung --47-- verbunden. Die Basis- elektroden dieser Transistoren nehmen von der Kommutierschaltung --35-- in Abhängigkeit von
Positionssignalen, die von einem Positionsfühler --48-- geliefert werden, Steuersignale auf.
Die Transistoren bilden zusammen den Leistungsschalter --33-- in Fig. 5 und enthalten Einrichtun- gen, welche auf die die Drehphase bzw. jeweilige Position des Rotors anzeigenden Steuersignale ansprechen, um die Wicklungsstufen elektronisch zu kommutieren. Geeignete Positionsfühler sind in der US-PS Nr. 4, 169, 990 beschrieben. Im Rahmen der Erfindung können optische, magnetische oder andere physikalische Effekte verwertet werden, um Positionsanzeigesignale zu erhalten, doch spricht der dargestellte Positionsfühler --48-- vorzugsweise auf die Gegen-EMK an, die von den Leitungen-49, 51 und 53-- an die Kollektoren der Transistoren--P1 bis P3--geliefert werden.
Diese Signale, die proportional der Winkelgeschwindigkeit des Rotors sind, werden hernach integriert, um die gewünschten Positionssignale für die Kommutierschaltung --35-- zu erhalten.
Der Thyristor --41--, der normalerweise gesperrt oder nichtleitend ist, wird von dem Regler --43-- gesteuert, der auf eine Anzahl verschiedener Eingangssignale anspricht. Der
Thyristor --41--, der Regler --43-- und der Kondensator --45-- stellen Bestandteile der Leistungs- konditionierschaltung --31-- in Fig. 5 dar.
Ein erstes Eingangssignal für den Regler --43-- (in Fig. 5 als "Befehlssignal" angedeutet) wird von einer äusseren Signalquelle an die Klemme --55-- angelegt und gibt die gewünschte Arbeits- und Funktionsweise des Motors an. In der erfindungsgemässen Waschmaschine wird dieses Signal typischerweise von einem Mikrocomputer, einem Zeitsteuergerät od. dgl. in Abhängigkeit von vorgewählten Instruktionen oder auf andere Weise am Steuerpult der Waschmaschine eingetragenen Parametern geliefert. Weitere Signale, die ebenfalls die Arbeits- und Funktionsweise des Motors betreffen, können auch auf andere Arten erzeugt werden.
Ein zweites Eingangssignal für den Regler kommt von einer Leitung --57-- und wird von einem Nulldurchgang-Detektor - geliefert, der an die Ausgangsleitungen --37 und 39-- des Brückengleichrichters --29-- angeschlossen ist. Ein weiteres Eingangssignal wird dem Regler --43-- über zwei Leitungen --61 und 63-- zugeführt, die mit den Enden eines Widerstandes --65-- verbunden sind, welcher seinerseits in Serie mit der Gleichstromrückleitung von den Wicklungsstufen liegt. Über diesen Widerstand fliesst der Gesamtstrom der Wicklungsstufen. Der Spannungsabfall am Widerstand - -65--, der das Signal an den Leitungen --61 und 63-- bildet, ist somit proportional dem Gesamtstrom, der über die Wicklungsstufen fliesst.
Gegebenenfalls kann dieses Spannungssignal, wie durch unterbrochene Linien 67 und 69 angedeutet worden ist, auch an die Kommutierschaltung --35-- angelegt werden. Die mit VM bezeichnete Spannung, welche den Wicklungsstufen zugeführt und durch eine Leitung --71-- auch an den Regler --43-- angelegt wird, stellt ein weiteres Eingangssignal dar und ist die effektive Spannung, die an den Wicklungsstufen liegt und zwischen der Leitung --71-- positiver Polarität und der Leitung --61-- negativer Polarität wirksam ist. Dieses Signal wird zur Drehzahlregelung verwendet.
Im Betrieb steuert der Positionsfühler --48-- die Kommutierschaltung --35--, die ihrerseits die Zeitfolge der elektronischen Kommutierung der Wicklungsstufen-SI bis S3-- in Abhängigkeit von den angelegten Rotor-Positionssignalen und damit die Zeitfolge der Speisung dieser Wicklungsstufen steuert. Diese Steuerfunktion wird durch die Signale ausgeübt, welche auf die Basiselektroden der Kommutierungs-Transistoren --Pl, P2 und P3-- wirken und diese Transistoren in den gewünschten Zeitpunkten leitend machen.
Durch Verwertung des Signals an den Leitungen --61 und 63--, das eine dem gesamten Motorstrom proportionale Spannung ist, wirkt der Regler --43-- in der Weise als Strombegrenzer, dass bei einer Tendenz zum Ansteigen des Motorstromes über einen vorgegebenen oder regulierten Stromwert der Stromregler-43-- steuernd auf den
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Thyristor --41-- wirkt, um den den Wicklungsstufen zugeführten Strom zu begrenzen. Wenn die an dem stromabtastenden Widerstand --65-- auftretende Spannung über die gegebenenfalls vorhandenen Leitungen --67 und 69-- auch auf die Kommutierschaltung --35-- wirkt, so werden die leitenden Zeitperioden der Kommutierungs-Transistoren-Pl bis P3-- auf dem mit dem vorge- gebenen Stromwert verträglichen Maximalwert gehalten.
Die Winkelgeschwindigkeit des Rotors --3-- wird durch Phasenwinkelsteuerung geregelt.
Die Nulldurchgänge der 60 Hz-Netzspannung werden in der Stufe --59-- detektiert und jeweils in einem vorgegebenen Zeitintervall nach diesen Nulldurchgängen, beispielsweise nach einem
Phasenwinkel von 120 , wird ein Signal erzeugt. Dieses Signal wird über die Leitung --57-- dem Regler --43-- zugeführt, der hierauf mit einer Einschaltung des Thyristors --41-- antwor- tet. Das an die Klemme --55-- angelegte Signal, welches die gewünschte Arbeits- und Funk- tionsweise des Motors angibt, legt somit fest, dass den Wicklungsstufen des Motors während eines Zeitintervalls, das einem Phasenwinkel von 60 entspricht, Leistung zugeführt wird, wie dies durch die schraffierten Flächen in Fig. 6B angedeutet worden ist.
Wie schon erwähnt, wird die Ausgangsspannung des Thyristors --41-- durch den Kondensator --45-- gefiltert, wodurch sich eine effektive Spannung V M ergibt, die den Wicklungsstufen-S1, S2 und S3-- zugeführt wird. Es versteht sich, dass die Gleichspannungszufuhr unter den angenommenen Betriebs- bedingungen nur während eines Intervalls von 600 erfolgt. Bei Anwendung der Phasensteuertech- nik wird daher die Winkelgeschwindigkeit des Rotors --3-- durch Wahl des Phasenwinkels fest- gelegt, während dessen Gleichspannung an die Wicklungsstufen angelegt wird.
Wie Fig. 6A ferner erkennen lässt, kann die Steuerung der Winkelgeschwindigkeit des Rotors auch durch eine Spannungsrückkopplung beeinflusst werden, indem V M zum Vergleich mit dem an der Klemme --55-- wirksamen äusseren Befehlssignal an den Regler --43-- angelegt wird.
Da V M repräsentativ für die tatsächliche Winkelgeschwindigkeit des Rotors ist, ändert sich dieses
Signal in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen den verglichenen Signalen. Das resultierende
Fehlersignal dient zur Steuerung des Thyristors --41--. Wenn die Amplitude des Fehlersignals anwächst, bleibt der Thyristor während eines längeren Zeitintervalls leitend, wodurch die effektive Spannung anwächst und der Motor beschleunigt wird. Nimmt das Fehlersignal hingegen ab, so wird der Thyristor --41-- nur während eines kürzeren Zeitintervalls leitend und die Belastung des Motors --M--, beispielsweise durch die Reibung und das Waschgut in der Waschmaschine, hat eine Verminderung der Motordrehzahl zur Folge, bis die gewünschte Winkelgeschwindigkeit erreicht wird.
Die Drehzahl des elektronisch kommutierten Motors --M-- ist somit eine direkte Funktion der angelegten Spannung. Um daher mit hoher Drehzahl zu arbeiten, muss den Statorwicklungen - sol bis S3-- eine hohe effektive Spannung zugeführt werden. Um umgekehrt mit niedriger Drehzahl zu arbeiten, muss den Statorwicklungen eine niedrige Spannung V M zugeführt werden. Um eine hohe Augangsleistung bei niedrigen Spannungen zu erreichen, sind starke Ströme erforderlich.
Die Kosten der Halbleitereinrichtungen-Pl bis P3--, die zum Kommutieren des Motors --M-verwendet werden, wachsen jedoch mit zunehmenden Nennströmen an.
Wenn bei der Waschmaschine --21-- der Korb mit relativ hoher Drehzahl, etwa mit 600 min-1 rotieren soll, wird der Motor mit relativ hohen Spannungen betrieben und er erzeugt bei relativ niedrigem Strom ein ausreichendes Drehmoment. Beim Waschvorgang muss die Maschine --21-jedoch das Waschgut mit wesentlich geringerer Drehzahl, z. B. mit 150 min-1 umwälzen, u. zw. typischerweise mit wechselndem Drehsinn. Die Belastung, die sich bei dieser Bewegung, also in der Waschphase durch das Wasser und das Waschgut ergibt, ist wesentlich grösser als die Belastung durch das nasse Waschgut allein, das dem Schleudervorgang unterworfen wird, um das Wasser auszutreiben.
Aus diesem Grund muss vom Motor --M-- ein wesentlich höheres Drehmoment erzeugt werden, um die Waschmaschine --21-- bei der erhöhten Belastung während des Waschvorganges zu betreiben, u. zw. mit einer Bewegung, die während einer vorgegebenen Zeitspanne oder Anzahl von Umdrehungen oder während eines Teiles einer Umdrehung in der einen Richtung, z. B. im Uhrzeigersinn, und anschliessend für eine andere vorgegebene Zeitspanne oder Anzahl von Umdrehungen oder während eines andern Teiles einer Umdrehung in der andern Richtung, z. B. also im Gegenuhrzeigersinn, stattfindet.
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Das bei Betrieb in der Waschphase erforderliche höhere Drehmoment der Waschmaschine --21-- geht aus Fig. 7 hervor, in der angenommen ist, dass die Kupplungseinheit --27-- ein
Drehzahlreduktionsgetriebe mit einem Untersetzungsverhältnis von 8 : 1 enthält ; es versteht sich aber, dass im Rahmen der Erfindung auch Drehzahlreduktionsgetriebe mit einem andern Unterset- i zungsverhältnis angewendet werden können. Wie dargestellt, entwickelt der Motor ein Drehmoment von etwa 3 N. m bei einer Rotordrehzahl von etwa 1200 min um das Umwälzwerk mit einer mit wechselndem Drehsinn entsprechend einer Drehzahl von etwa 150 min -1 beim Waschen mit
Vollast zu betreiben. Dieser Betriebsfall ist durch eine Lastlinie L zum Spitzenleistungspunkt S in Fig. 4 dargestellt.
Wenn die Maschine anderseits in der Schleuderphase arbeitet, wird gemäss dem Diagramm von Fig. 8 durch die Spitzenleistung S zum Trockenschleudern bei Vollast ein
Drehmoment von nur wenig über 0, 68 N. m bei einer Rotordrehzahl von etwa 5000 min -1 erzeugt, wobei infolge der festen Untersetzung von 8 : 1 der Korb mit einer Drehzahl von etwa 600 min - 1 rotiert.
Wie schon erläutert worden ist, erfordert der Betrieb des Motors--M--mit der niedrigen
Drehzahl von 1200 min -1 eine Verminderung der an die Wicklungsstufen angelegten effektiven
Spannung, wobei für gewöhnlich der Strom und damit auch die an die Wicklungsstufen abgegebene
Leistung proportional abnimmt, wodurch in weiterer Folge das erzeugte Drehmoment abnimmt.
Bei Wicklungsstufen mit einer vorgegebenen oder festen Anzahl von Windungen fürt somit der
Betrieb des Motors mit niedriger Drehzahl zu einer Verminderung der vom Motor aufgenommenen
Leistung.
Um den Motorstrom zu erhöhen und dadurch das viel höhere Drehmoment zu erzeugen, das in der Waschphase erforderlich ist, müsste der Stromfluss über die Wicklungsstufen erheblich verstärkt werden, was die Verwendung von Kommutierungs-Transistoren mit viel höherer Belast- barkeit oder aber die Verwendung eines zweiten Antriebsweges mit wesentlich höherem Unterset- zungsverhältnis für das Rührwerk in der Waschphase erfordern würde.
Beim erfindungsgemässen Gleichstrommotor wird aber das wesentlich höhere Drehmoment, das für den Waschvorgang mit niedriger Drehzahl erforderlich ist, ohne Anwendung einer dieser beiden ungünstigen Alternativen erzielt. Das wird durch Anwendung der Anzapfungen-11, 12 und 13-an jeder der Wicklungsstufen und durch die Schalter --X1, X2 und X3-- erreicht, welche jeweils während der Schleuderphase nur einen Teil der Windungen in jeder der Wicklungs- stufen-S1, S2 und S3-- mit den Kommutierungs-Transistoren --P1, P2 und P3-- verbinden, hin- gegen in der Waschphase alle Windungen jeder Wicklungsstufe mit diesen Transistoren verbinden (wobei sich die Schaltarme der Schalter in den Stellungen befinden, die in Fig. 6A gezeigt sind).
Auf diese Weise wird, abhängig vom Verhältnis der grösseren Anzahl von Windungen, die während der Waschphase angeschaltet werden, zu der kleineren Anzahl von Windungen, die während der Schleuderphase angeschaltet werden, der Motor befähigt, bei Beaufschlagung der Wicklungsstu- fen mit gleicher Stromstärke das angestrebte, viel höhere Drehmoment zu erzeugen.
Haben beispiels- weise die Wicklungsspulensätze-SlA, S2A und S3A-- der aus in Strähnen gewickelten Spulensätzen aufgebauten Statoreinheit nach Fig. 3 je 24 Windungen und die Wicklungsspulensätze --SlB, S2B, S3B,
SlC, S2C und S3C-- je 36 Windungen, so beträgt das Verhältnis der Anzahl der von den Schaltern --X1 bis X3-- während der mit niedriger Drehzahl und hohem Drehmoment arbeitenden Waschphase angeschalteten Windungen zu der Anzahl der während der mit hoher Drehzahl und niedrigem
Drehmoment arbeitenden Schleuderphase angeschalteten Windungen 4 :
L Für jede durch alle Win- dungen der Wicklungsstufen durchfliessende Stromeinheit wird daher ein Drehmoment entwickelt, das viermal grösser ist als das Drehmoment, das vom Motor bei Anschaltung nur eines Teiles der Windungen entwickelt wird, wenn nämlich die Schaltarme der Schalter-Xl bis X3--nur die Spulensätze-SlA, S2A und S3A-- anschalten. Bei der koaxial gewickelten Statoreinheit nach
Fig. 4 sind alle Spulensätze --SIA'bis S3A'-- mit 12 vollen Windungen gewickelt und die andern
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hältnis von 4 :
1 zwischen der gesamten Windungszahl und der Windungszahl in den Spulensätzen - -SlA', S2A I und S3A'-- ergibt. Die vorstehend angegebenen, während des Betriebes mit hoher bzw. niedriger Drehzahl des Motors --M-- wirksamen Windungsverhältnisse dienen nur zur Erläuterung der Erfindung und es versteht sich, dass im Rahmen der Erfindung auch andere Windungsverhältnisse sowie andere Verhältnisse der Drehmomente angewendet werden.
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Der Strom, der während der Schleuderphase über die dabei angeschaltete Anzahl von Win- dungen zwecks Erzeugung der in dieser Betriebsphase mit hoher Drehzahl und niedrigem Dreh- moment erforderlichen Spitzenleistung fliesst, entspricht einem vorwählbaren Stromwert. Eine zusätzliche Anzahl von Windungen ist dazu vorgesehen, um das vorgegebene und wesentlich höhere Drehmoment zu entwickeln, das bei ungefähr gleichem Stromwert in der Waschphase benö- tigt wird. Demgemäss wird eine wesentlich grössere Anzahl von Amperewindungen für die Wasch- phase vorgesehen, obwohl der Strom selbst gleich hoch oder nicht wesentlich höher als jener ist, der in der Schleuderphase zur Erzeugung des in diesem Betriebszustand erforderlichen Dreh- momentes benötigt wird, um die Spitzenleistung für das Schleudern zu decken.
Die geschilderten Verhältnisse sind aus den Fig. 7 und 8 erkennbar, in denen graphisch die Beziehung zwischen Drehzahl (min -1) und Drehmoment (DM) des Motors --M-- bei Betrieb mit niedriger Drehzahl und hohem Drehmoment in der Waschphase (Fig. 7) bzw. bei Betrieb mit hoher Drehzahl und niedrigem Drehmoment in der Schleuderphase (Fig. 8) dargestellt ist.
Die
Kurven zeigen, dass bei Begrenzung des effektiven oder mittleren Gleichstromes, der von den
Wicklungsstufen bei der angelegten effektiven Spannung aufgenommen wird, um den Rotor-3- mit den gewünschten Drehzahlen anzutreiben, auf etwa 6 A, das erhöhte Drehmoment bei niedri- geren Drehzahlen entwickelt wird, um die Anforderungen hinsichtlich der Spitzenleistung in der Waschphase zu befriedigen, ohne hiefür mehr Strom zu erfordern als zur Erzeugung der
Spitzenleistung in der Schleuderphase mit der höheren Drehzahl erforderlich ist. Dieser vorge- gebene Stromwert wird erhalten, wenn ein Wechselstrom von etwa 4 A aus dem 115 V-Wechselstrom- netz an den Gleichrichter --29-- geliefert wird.
Diese Stromentnahme wäre zu vergleichen mit der Stromentnahme von 8 bis 10 A, die bei einem 115 V-Wechselstromnetz zur Speisung einer herkömmlichen Waschmaschine mit einem Wechselstrominduktionsmotor und zwei Kraftübertragungs- wegen zur Umwandlung der Drehbewegung in eine schwingende Bewegung zwecks Antrieb eines
Rührwerkes erforderlich ist.
Es versteht sich, dass die Schaltfunktionen der Schalter-Xl bis X3-- auch von Festkörper-Schalteinrichtungen ausgeübt werden können, wie beispielsweise von Triacs, und dass zusätzliche Wicklungsanzapfungen vorgesehen werden können, um unterschiedliche Anteile der Wicklungswindungen zu erfassen, so dass ein rationeller Betrieb des Motors mit niedrigem Strom bei verschie- denen Drehzahlen erreichbar ist.
Ferner ist zu beachten, dass bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen zwar die Intensität oder Stärke aller während des Betriebes mit hoher Drehzahl entwickelten Magnetpole gleich angenommen ist, dass aber die Anzahl der Windungen, die so gespeist werden, vermindert werden kann, indem Pole mit verschiedenen Intensitäten oder Stärken entwickelt werden, und dass die Anzahl der bei Betrieb mit hoher Drehzahl gespeisten Spulensätze vermindert werden kann, wobei dann weniger als acht Statorpole erhalten werden.
Ferner versteht sich, dass bei der hier als Ausführungsbeispiel beschriebenen Waschmaschine zwar ein Umwälzwerk und ein getrennter Korb um eine gemeinsame vertikale Achse drehbar angeordnet sind, aber auch andere Bauarten von Waschmaschinen anwendbar sind, beispielsweise solche, bei welchen der Korb um eine horizontale oder geneigte Achse drehbar ist und kein getrenntes Umwälzwerk vorgesehen ist, sondern der Korb selbst in eine schwingende Bewegung versetzt wird, um das Waschwasser und das Waschgut umzuwälzen.
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