Selbstgesteuerter Gleichstrom-Elektromotor für hohe Drehzahlen Die Erfindung betrifft einen selbstgesteuerten -cleichstrommotor mit einer geraden Anzahl von Statorspulen. Solche Motoren haben den bekannten Vorteil, dass ihre Drehzahl regelbar ist, doch kann man mit ihnen bis jetzt keine sehr hohen Drehzahlen irreichen. Nachteilig wirkt sich bei ihnen ferner aus, dass die bei höheren Drehzahlen am Kollektor auf tretende Funkenbildung die Kollektorlamellen zer stört und damit ihre Lebensdauer begrenzt. Bei hohen Drehzahlen von z.
B. 15 000 bis 20 000 Um drehungen pro Minute tritt ferner neben dem be kannten Bürstenfeuer ein Rundfeuer auf, was einen sehr raschen Abbrand des Kollektors zur Folge hat.
Man hat bereits versucht, zur Vermeidung des Bürstenfeuers an den Kollektoren von Gleichstrom- Elektromotoren und -Generatoren an Stelle eines Kollektors eine Kommutierungsanordnung zu ver wenden, die nur eine sehr geringe Energie abgibt, und diese Energie nach Verstärkung in einer Röhren anordnung den Statorspulen der Maschine als Er regerstrom zuzuführen. Als Kommutierungsanord- nung wurde dabei eine Anordnung von Hall-Genera- toren verwendet.
Solche Massnahmen reichen aber nicht aus, wenn man bei Gleichstrom-Elektromotoren hohe Dreh zahlen erreichen will, insbesondere solche von einigen hunderttausend Umdrehungen pro Minute, 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 nach teilig beeinflusst und vor allem die erforderlichen 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 Moto ren für elektrische Uhren, die fremdgesteuert und von geringer Leistung und geringer Umlaufgeschwin digkeit sind.
Die Erfindung geht nun von einem selbstge steuerten Gleichstrom-Elektromotor mit einer ge raden 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 Rück kopplungsschaltung und einem Leistungstransistor, der von den ersteren schlagartig mit entsprechend hoher positiver oder negativer Steuerspannung be schickt wird. Vorteilhaft ist eine doppelte Anzahl von Transistorgruppen wie Statorwicklungen vorhan den und sind die jeder Wicklung zugeordneten zwei Transistorgruppen so geschaltet, dass sie die Wick lungen in entgegengesetzter Richtung erregen. Ferner sind zweckmässig zwei in Reihe geschaltete Gleich stromquellen vorhanden, die von den Transistor gruppen abwechselnd an die Statorwicklungen gelegt werden.
Diese Speisegleichstromquellen können in an sich bekannter Weise durch Anordnung von Trans formatoren und Gleichrichtern in Ein- oder Mehr phasenschaltung erzeugt werden.
Als Kommutierungsanordnung kann bei dem Motor nach der Erfindung in bekannter Weise ein Hall-Generator oder eine lichtelektrische Steuerung verwendet werden. In letzterem Fall sind symmetrisch um die Ankerachse des Motors Photodioden an gebracht, die durch den Schlitz einer mit der Anker achse umlaufenden Hülse oder über einen an der Ankerachse angebrachten Spiegel nacheinander be lichtet werden. Da die Steuerströme aber bei dem Motor nach der Erfindung nur sehr gering sind, kann man die Steuerung auch über Kollektorlamel- len und Bürsten vornehmen.
Die Erfindung soll nun an Hand der Abbildungen beispielsweise 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 Lamellen-Kollektor und Schleifbürsten im Längs schnitt, Fig. 5 die Lamellen- und Bürstenanordnung des Motors nach Fig. 4 in Draufsicht,
Fig. 6 einen Motor nach der Erfindung mit Hall- Steuerung, 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 bezeich net, der aus einem Dauermagneten SN besteht. 22 und 23 sind die Statorspulen des Motors. An dem einen Wellenende des Ankers 2 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. 1 bis IV sind vier Transistorgruppen, die den Photodioden zugeordnet sind. Wird z. B. die Photodiode 8 be lichtet, so wird sie leitend, und es tritt über sie die in dem Gleichrichter 11 erzeugte positive Spannung an der Basis des Transistors 10 auf, so dass derselbe sperrt.
Die negative Spannung des Gleichrichters 11 liegt nun über dem Punkt 12 und dem Basiswider stand 13 am Transistor 14 und öffnet diesen. Infolge dessen fliesst ein Strom über den Widerstand 15, den Widerstand 16, den Transistor 14, den Leistungstran sistor 17, den Basiswiderstand 18 zur Gleichstrom quelle 11 über Punkt 12 zurück. Gleichzeitig fliesst ein Strom über Transistor 14 und. Widerstand 19, welcher ein sehr rasches Schliessen des Transistors 10 bewirkt. Durch diese Rückkopplungsschaltung ergibt sich ein sehr rasches Schalten der Transistoren.
Sobald der Leistungstransistor 17 eingeschaltet ist, fliesst ein Strom aus der Gleichstromquelle 20 über die Stator- wicklung 22 des Motors, über den Transistor 17 zum Minuspol der Gleichstromquelle 20 zurück. Infolgedessen dreht sich der polarisierte Anker um etwa 90 nach einer gegebenen Richtung weiter. Bei diesem Weiterdrehen wird der Lichtstrahl, wel cher durch den Schlitz tritt, auf die nächste Photo diode, z. B. 7, gelenkt, welche ihrerseits in ent sprechender Weise die Transistorgruppe III schaltet. Durch diese wird nun der Statorwicklung 23 Strom zugeführt, während die vorher eingeschaltete Stator- wicklung 22 abgeschaltet wird.
Infolgedessen dreht sich der Anker wiederum um 90 , wodurch die Photo diode 6 belichtet wird. Dadurch wird die Transistor gruppe II eingeschaltet. Diese Transistorgruppe 1I bzw. deren Leistungstransistor ist aber mit der Gleichstromquelle 21, welche mit der Gleichstrom quelle 20 in Reihe liegt, so verbunden, dass nunmehr durch die Statorwicklung 22 ein Strom in umgekehr ter Richtung fliesst.
Dabei wird nun der Anker 1 wiederum um 90 weitergedreht, das Licht der Lampe 5 durch den Schlitz 4 auf die Photo diode 9 gelenkt und damit die Transistorgruppe IV in gleicher Weise, wie vorstehend für die Transistorgruppe I beschrieben ist, geschaltet, ledig lich mit dem Unterschied, dass der Leistungstransistor IV ebenfalls an die Gleichstromquelle 21 angeschlos sen ist und entsprechend dem Leistungstransistor der Gruppe II die Statorwicklung 23 in umgekehrter Rich tung wie die Transistorgruppe III erregt.
Durch die Verwendung von doppelt soviel Tran sistorgruppen wie Statorspulen des Motors, wie sie in dem vorstehenden Schaltbeispiel beschrieben wor den ist, ergibt sich der höchstmögliche elektrische Wirkungsgrad, da die Statorspulen in zwei Richtun gen vom Strom durchflossen und damit voll ausge nutzt werden und infolgedessen der Motor bei klein sten Abmessungen sehr leistungsfähig gestaltet wer den kann. Die vorstehend beschriebene Verwendung zweier getrennter, in Reihe geschalteter Gleichstrom quellen ergibt den 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 bau liche Ausführungsform eines selbstgesteuerten Motors nach der Erfindung, bei dem die Selbststeuerung wie in Fig. 1 photoelektrisch erfolgt. Der Anker 29, welcher einen permanenten Magneten trägt, ist in den Kugellagern 30 und 31 frei gelagert. An seinem oberen Ende hat er eine zylinderförmige Aushöhlung zur Aufnahme der Lampe 5. Durch den Schlitz 4 werden bei Umlauf des Ankers nacheinander die Photodioden 6, 7, 8 und 9 belichtet. Anstelle der Statorbleche 32 wird man bei besonders hohen Dreh zahlen zweckmässigerweise entweder einen Ferrit- kern oder verlustarme Bleche verwenden.
Die Photo dioden und die Statorwicklungen sind in der an Hand von Fig. 1 beschriebenen Weise an die Transistor gruppen und die Stromquellen angeschlossen. Die in Fig.2 dargestellte bauliche Ausgestaltung des Motors und seines Gehäuses eignet sich z. B. zum Antrieb eines Bohrers eines zahnärztlichen Hand stücks.
Die in den Fig.4 und 5 dargestellte bauliche Ausführungsform des Motors nach der Erfindung unterscheidet sich von der in den Fig. 2 und 3 dar gestellten Ausführungsform im wesentlichen dadurch, dass der Motor einen mechanisch arbeitenden Kollek- tor aufweist. Der Kollektor hat einen umlaufenden Schleifring 38, auf dem ständig die Bürste 37 schleift. Von dem Schleifring 38 erstreckt sich in Richtung der Ankerachse eine leitende Lamelle 39, die unge fähr ?i des gesamten Kollektorumfanges einnimmt, während a/,4 des Kollektorumfanges aus Isolierstoff bestehen.
Auf diesem Kollektorteil schleifen, sym metrisch um den Kollektor angeordnet, vier Schleif bürsten 33, 34, 35 und 36. Die Bürste 37 ist an die positiven Pole der schwachen Gleichstromquel len 11 angeschlossen, während die Bürsten 33-36 in gleicher Weise, wie es in Fig. 1 für die Photozellen gezeigt ist, jeweils an die Basis eines der Transistoren 10 der vier Gruppen geführt ist. Trifft beim Umlauf des Ankers eine dieser Bürsten auf die leitende Lamelle 39, dann wird die Verbindung mit dem positiven Pol der schwachen Stromquelle 11 her gestellt, der jeweils den zu der betreffenden Gruppe gehörigen Transistor 10 sperrt, und es erfolgt der Schaltungsverlauf in der gleichen Weise, wie in Fig. 1 angegeben.
Da man über die Bürsten und Kollek toren nur sehr geringe Steuerströme zu leiten braucht, kann selbst bei den grössten Umdrehungszahlen keinerlei Funkenbildung entstehen. Der Vorteil einer solchen mechanisch arbeitenden Kollektoreinrichtung ist, dass sie einen sehr einfachen Aufbau aufweist und sehr preisgünstig herzustellen ist.
Die Fig.6 und 7 zeigen schliesslich ein Aus führungsbeispiel der Erfindung, bei dem der Hall- Effekt zur Steuerung der Transistorgruppen ausge nützt wird. Bei dieser Ausführungsform ist auf der Ankerachse ein sehr kleines Polrad 40 befestigt, dessen Magnetfeld zwei Hall-Generatoren 41 und 42 erfasst und diese entsprechend der Lage des Pol rades aussteuert. Auch bei dieser Anordnung kann bei entsprechender Anpassung an den Transistoren verstärker im Prinzip dieselbe Schaltung und Stator- wicklung verwendet werden, wie sie an Hand von Fig. 1 beschrieben wurde.
Auch diese Ausführungs form hat ebenso wie die der photoelektrischen Steue rung den Vorteil, dass durch Wegfall mechanisch arbeitender Kontakte jegliche Störung vermieden werden kann.
Die vorstehend beschriebenen Formen sowohl der Schaltung des Transistorenverstärkers wie auch der baulichen Ausbildung der Motoren sind nur als Ausführungsbeispiele der Erfindung gedacht, ohne die Erfindung auf diese Ausführungsbeispiele zu beschränken. So könnte z. B. für geringe Um drehungszahlen anstelle eines Dauermagneten auch eine von Gleichstrom durchflossene Spule als Anker dienen. Ferner könnte bei photoelektrischer Steue rung an der Ankerachse statt der Blende ein unter 45 zu dieser geneigter Spiegel angeordnet sein, der das Licht einer in Verlängerung der Ankerachse an gebrachten Lampe nacheinander auf die Photozellen wirft.
Auch könnte gegebenenfalls der Stator 4, 6 oder noch mehr Wicklungen haben und dement sprechend die Kollektoranordnung und der Tran sistorenverstärker die doppelte, dreifache usw. Zahl von Elementen wie in dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel aufweisen. Wesentlich für die dargelegten Beispiele der Erfindung ist, dass die Selbststeuerung des Elektromotors mit sehr schwa chen Strömen erfolgt und trotzdem sehr hohe Dreh zahlen mit günstigem elektrischem Wirkungsgrad erreicht werden können. Die Praxis hat nun auch wirklich gezeigt, dass durch die gemäss der Erfindung selbstgesteuerten Gleichstrommaschinen sehr hohe Drehzahlen zu er zielen sind.
Die Drehzahl wird hierbei im wesent lichen durch die Grösse der zugeführten Leistung bzw. durch die angelegte Spannung bestimmt. Ein besonderer Vorteil der Anordnung liegt auch darin, dass der transistorengesteuerte Motor selbstanlau fend ist.