Einrichtung mit einem über steuerbare Halbleiter gespeisten bürstenlosen Gleichstrommotor Die Erfindung betrifft eine Einrichtung mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor, bei welchem Motor die Funktion des Kollektors durch steuerbare Halbleiter ersetzt ist und die Ständerwicklung aus einer geraden Anzahl und aus mindestens vier Wicklungssträngen be steht,.
die sich paarweise um 180 e1. gegenüberliegen und einseitig in Sternschaltung miteinander verbunden sind.
Die steuerbaren Halbleiter können zum Beispiel Transistoren oder. auch Thyristoren sein. Beim Öffnen solcher Ventile treten während der Stromkommutie- rung Spannungsspitzen auf, weil die- in einer Wicklung gespeicherte magnetische Energie abgebaut werden muss. Infolgedessen liegen an, den steuerbaren Halblei- tern recht hohe Spitzenspannungen an. Die zulässige Sperrspannung der steuerbaren Halbleiter muss dann sehr viel höher als die Speisespannung des Motors sein. Dadurch sind erhöhte Kosten für die steuerbaren Halbleiter bedingt.
Zur Reduzierung solcher Spannungsspitzen wer den sogenannte Freilaufdioden verwendet. Diese wer den hinsichtlich ihrer Durchlassrichtung so geschaltet, dass sie bei geöffnetem steuerbarem Halbleiter keinen Strom führen. Sie können einem induktiven Verbrau cher parallel geschaltet sein. Unterbricht der steuerbare Halbleiter den Stromkreis, fliesst der Strom durch die parallele Freilaufdiode weiter, bis die gespeicherte magnetische Energie abgebaut ist.
Diese Schaltung ist jedoch für bürstenlose Gleichstrommotoren nicht ge eignet, weil durch die Magnetpole des Läufers in den Wicklungssträngen des Ständers sowohl negative als auch positive Spannungshalbwellen induziert werden. Für eine dieser Halbwellen würde dann eine parallel zum Wicklungstrang geschaltete Freilaufdiode einen Kurzschluss bedeuten.
Deshalb sind für in Doppelweg schaltung gesteuerte bürstenlose Motoren Freilaufdio- den bekannt geworden, beispielsweise nach der DAS <B>1208</B> 803, welche in Antiparallelschaltung zum System, der steuerbaren Halbleiter die Motorstränge in Doppelwegschaltung mit den Polen der Gleichspan- nungsquelle verbinden. Sie sind in Sperrichtung ge schaltet, so dass durch die Freilaufdioden kein Strom von der Batterie in den Motor fliessen kann. Umge kehrt werden Motorspannungen, welche den Wert der Batteriespannung überschreiten, durch in die Batterie fliessende Ströme kurzgeschlossen.
Eine solche Dop pelwegschaltung der Freilaufdioden ist jedoch nicht möglich, falls die Wicklungsstränge eines Motors im Stern geschaltet sind und in Einwegschaltung durch steuerbare Halbleiter kommutiert werden.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, auch für solche Motoren eine Schaltung zur Unterdrückung der beim Schalten der steuerbaren Halbleiter entstehenden Span nungsspitzen anzugeben.
Deshalb wird erfindungsgemäss eine Einrichtung mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor, dessen Ständerwicklung aus einer geraden Anzahl und aus mindestens vier Wicklungssträngen besteht, die sich paarweise um 180 e1. gegenüberliegen und einseitig in Sternschaltung miteinander verbunden sind, und deren Sternpunkt an einem Pol einer Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, während die freien Wicklungsani schlösse über je einen steuerbaren Halbleiter mit dem Gegenpol der Gleichspannungsquelle verbunden sind, vorgeschlagen, mit dem Kennzeichen,
dass die freien Wicklungsanschlüsse zusätzlich über antiparallel zu den steuerbaren Halbleitern geschaltete Freilaufdioden mit dem Gegenpol der Gleichspannungsquelle verbun- den sind.
Es zeigte sich überraschend, dass, trotz der in Ein- wegschaltung betriebenen Freilaufdioden die an den steuerbaren Halbleitern anliegenden Spannungsspitzen auf den doppelten Wert der speisenden Spannung maximal in gleicher Höhe überlagern:.
Es wurde festge stellt, dass beim Abschalten eines Strangstromes die Flussänderung vorteilhaft verzögert wird, weil im ge genüberliegenden Strang Gegenspannungen, induziert werden, welche Ströme verursachen, die durch die Freilaufdioden in die Gleichspannungsquelle zurückge führt werden.
Die magnetische Kopplung je zweier um 180 e1. gegenüberliegender Stränge ist so gross, dass unzulässige Spannungsspitzen praktisch nicht mehr ge messen werden. Ein weiterer Vorteil der erfindungsge- mäss geschalteten Freilaufdioden ist es, dass die bei Verwendung von Thyristoren erforderlichen Löschkon densatoren kleiner dimensionierter werden können, weil die Stromlöschung durch die Freilaufdioden wesentlich erleichert wird.
Die Kopplung je zweier gegenüberliegender Stränge wird vorteilhaft gross, wenn beide in dieselben Nuten eingewickelt sind, insbesondere dann, wenn beide drahtparallel nebeneinander gewickelt sind.
Die Wirkungsweise der Erfindung wird anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert.
Fig.l zeigt das Prinzipschaltbild einer Ausfüh rungsform der erfindungsgemässen Einrichtung mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor.
Der Sternpunkt 1 der Wicklungsstränge 2, 3, 4 und 5 ist direkt mit dem positiven Pol der Batterie 6 ver bunden. Die Wicklungsstränge werden durch je einen Thyristor 7, 8, 9 und 10 gespeist, die gemeinsam über eine Induktivität 11 an den negativen Pol der Batterie angeschlossen sind. An die freien Enden der Wick lungsstränge sind jeweils Löschkondensatoren 11, 13, 14 und 15 angeschlossen.
Antiparallel zu den Thyristo- ren 7 bis 10 verbinden Freilaufdioden 16 bis 19 die Wicklungsstränge direkt mit dem negativen Pol der Batterie 6.
Es sei angenommen, dass der Thyristor 9 Strom führt. Wenn anschliessend der Thyristor 8 gezündet wird, löscht der Thyristor 9.
Dabei entsteht wegen der Stromunterbrechung am Wicklungsstrang 5, aber auch am Wicklungsstrang 3, eine Spannungsspitze. Die der Batteriespannung entge- gengerichtete Spannungsspitze im Strang 3 bewirkt über die Freilaufdiode 16 und die Batterie 6 Kurz- schlussströme. Bei guter Kopplung der um 180 e1. ge genüberliegenden Wicklungsstränge sind die in ihnen induzierten Spannungsspitzen praktisch spiegelbildlich gleich
gross. Die durch Stromänderung in einem Wick- lungsstrang entstehenden Spannungsspitzen werden also durch Kurzschlusströme im. gegenüberliegenden Strang abgedämpft.
Die Induktivität 11 erleichtert einerseits die Kom- mutierung der Ströme von einem Thyristor zum fol genden. Andererseits wird ein Kurzschluss, z. B. durch den Löschkondensator 14 über den Thyristor 8 und die Freilaufdiode 18 verhindert.
Device with a brushless direct current motor fed by controllable semiconductors The invention relates to a device with a brushless direct current motor, in which motor the function of the collector is replaced by controllable semiconductors and the stator winding consists of an even number and of at least four winding strands.
which move in pairs by 180 e1. opposite and are connected to one another in a star connection on one side.
The controllable semiconductors can, for example, transistors or. also be thyristors. When such valves are opened, voltage peaks occur during current commutation because the magnetic energy stored in a winding has to be dissipated. As a result, the controllable semiconductors have very high peak voltages. The permissible reverse voltage of the controllable semiconductors must then be much higher than the supply voltage of the motor. This results in increased costs for the controllable semiconductors.
To reduce such voltage peaks who use the so-called freewheeling diodes. These are switched with regard to their forward direction so that they do not carry any current when the controllable semiconductor is open. They can be connected in parallel to an inductive consumer. If the controllable semiconductor interrupts the circuit, the current continues to flow through the parallel freewheeling diode until the stored magnetic energy is dissipated.
However, this circuit is not suitable for brushless DC motors because both negative and positive voltage half-waves are induced by the magnetic poles of the rotor in the winding phases of the stator. For one of these half-waves, a free-wheeling diode connected in parallel to the winding phase would mean a short circuit.
For this reason, freewheeling diodes have become known for brushless motors controlled in full-wave circuit, for example according to DAS <B> 1208 </B> 803, which connect the motor strings in full-wave circuit with the poles of the DC voltage source in anti-parallel to the system, the controllable semiconductors . They are switched in the reverse direction so that no current can flow from the battery into the motor through the freewheeling diodes. Conversely, motor voltages that exceed the value of the battery voltage are short-circuited by currents flowing into the battery.
However, such a double path circuit of the freewheeling diodes is not possible if the winding phases of a motor are star-connected and are commutated in one-way circuit by controllable semiconductors.
The object of the invention is to provide a circuit for suppressing the voltage peaks arising when switching the controllable semiconductors for such motors.
Therefore, according to the invention, a device with a brushless direct current motor, the stator winding of which consists of an even number and of at least four winding phases, which are in pairs by 180 e1. opposite and are connected to one another in a star connection on one side, and whose star point is connected to one pole of a DC voltage source, while the free winding connections are each connected to the opposite pole of the DC voltage source via a controllable semiconductor, proposed with the indicator,
that the free winding connections are also connected to the opposite pole of the DC voltage source via free-wheeling diodes connected anti-parallel to the controllable semiconductors.
It was surprisingly found that, despite the one-way operation of the free-wheeling diodes, the voltage peaks applied to the controllable semiconductors are superimposed to twice the value of the supply voltage, at most by the same amount.
It was found that when a phase current is switched off, the change in flux is advantageously delayed because counter voltages are induced in the opposite phase, which cause currents that are fed back into the DC voltage source through the freewheeling diodes.
The magnetic coupling of two by 180 e1. opposite strings is so large that impermissible voltage peaks are practically no longer measured. Another advantage of the freewheeling diodes switched according to the invention is that the extinguishing capacitors required when using thyristors can be made smaller, because the current quenching is made much easier by the freewheeling diodes.
The coupling of two opposing strands is advantageously great when both are wrapped in the same grooves, especially when both are wound next to one another in parallel with the wires.
The mode of operation of the invention is explained using the drawing, for example.
Fig.l shows the basic circuit diagram of an embodiment of the inventive device with a brushless direct current motor.
The star point 1 of the winding strands 2, 3, 4 and 5 is directly connected to the positive pole of the battery 6. The winding phases are each fed by a thyristor 7, 8, 9 and 10, which are connected together via an inductance 11 to the negative pole of the battery. Quenching capacitors 11, 13, 14 and 15 are connected to the free ends of the winding strands.
In antiparallel to the thyristors 7 to 10, free-wheeling diodes 16 to 19 connect the winding phases directly to the negative pole of the battery 6.
It is assumed that the thyristor 9 is carrying current. If the thyristor 8 is then triggered, the thyristor 9 extinguishes.
Because of the current interruption, a voltage spike occurs on winding phase 5, but also on winding phase 3. The voltage peak in string 3, which is opposite to the battery voltage, causes short-circuit currents via the freewheeling diode 16 and the battery 6. With a good coupling of the 180 e1. ge opposite winding phases, the voltage peaks induced in them are practically mirror images of the same
big. The voltage peaks resulting from a change in current in a winding phase are thus caused by short-circuit currents in the. opposite strand damped.
The inductance 11, on the one hand, facilitates the commutation of the currents from one thyristor to the following. On the other hand, a short circuit, e.g. B. prevented by the quenching capacitor 14 via the thyristor 8 and the freewheeling diode 18.