Die Erfindung betrifft eine zahnärztliche Bohreinrichtung mit einem Elektro-Kleinstmotor.
Bisher hat man zahnärztliche Bohrhandstücke mit Gleichstrom-Kollektormotoren ausgerüstet, die nach dem Nebenschlussprinzip arbeiten. Bei derartigen Motoren erzeugt der Stator ein konstantes Magnetfeld. In diesem Magnetfeld befindet sich der Läufer mit den Wicklungen. Der Strom wird den Wicklungen über Kohlebürsten und einem mechanischen Kommutator zugeführt.
Die Gleichstrom-Kollektormotoren haben den Nachteil, dass die Kohlebürsten und Kollektoren Verschleissteile sind.
Der Kohleabrieb verschmutzt die Lager, so dass diese vorzeitig verschleissen. Ausserdem wird durch die mechanische Reibung zwischen den Kohlebürsten und dem Kollektor Wärme erzeugt, die durch eine zusätzliche Luftkühlung abgeführt werden muss. Wenn eine zusätzliche Luftkühlung nicht vorhanden ist, muss die Drehzahl stark begrenzt werden, um die Wärmeerzeugung in zulässigen Grenzen zu halten.
Bei stärkerer Belastung der Gleichstrom-Kollektoren wird die gesamte Verlustwärme, die in der Läuferwicklung und auf dem Kollektor entsteht, von dem Läufer mit seiner sehr kleinen Wärmekapazität aufgenommen. Die Wärmeabfuhr über die Kugellager an dem Stator ist ausserordentlich gering.
Eine weitere Wärmeabfuhr ist nur durch zusätzliche aufwendige Massnahmen, beispielsweise durch eine Druckluftkühlung möglich. Durch die Erwärmung wird die rotierende Wicklung thermisch und mechanisch beansprucht, so dass Unwuchtverlagerungen auftreten, die Schwingungen verursachen und die Laufeigenschaften verschlechtern.
Ein weiterer Nachteil derartiger Gleichstrom-Kollektormotoren besteht darin, dass die Drehzahl proportional der angelegten Gleichspannung ist. Bei höheren Drehzahlen treten Kommutierungsschwierigkeiten auf; ausserdem tritt ein verstärkter Kohlebürstenverschleiss auf. Die maximal erreichbare Drehzahl ist dadurch begrenzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zahn ärztliche Bohreinrichtung der eingangs beschriebenen Art so zu gestalten, dass die durch den Verschleiss von Kohlebürsten und Kollektoren sowie durch die Erwärmung der Läuferwicklung bedingten Schwierigkeiten vermieden werden. Die Drehzahl des Elektro-Kleinstmotors soll in weiten Grenzen steuerbar sein; und insbesondere soll eine sehr hohe Drehzahl erreichbar sein.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Elektro-Kleinstmotor ein Mehrphasen-Asynchronmotor ist. der an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen ist, deren Frequenz grösser als 50 Hz und steuerbar ist.
Die in ihrer Frequenz veränderbare Wechselspannungsquelle kann beispielsweise von einem an das Wechselstromnetz angeschlossenen Motor-Generator oder einem elektronischen Frequenzumformer gebildet sein.
Zur Frequenzveränderung kann zusätzlich noch die Möglichkeit vorgesehen werden, den Stator des Mehrphasen Asynchronmotors mit mehreren polumschaltbaren Wicklungen auszurüsten.
Es ist für Asynchronmotoren allgemein bekannt zur Erzeugung eines belastungsabhängigen Signales ein Tachogenerator vorzusehen, der mit dem Läufer des Asynchronmotors gekoppelt ist.
Die Unterbringung des Tachogenerators in dem Bohrhandstück würde jedoch eine unerwünschte Vergrösserung des Bohrhandstückes erfordern. Ausserdem ist die Verwendung eines Tachogenerators teuer.
Es ist deshalb zweckmässig, die erfindungsgemässe Einrichtung so zu gestalten, dass ein Signal ohne grossen Aufwand und Platzbedarf erzeugt werden kann, das infolge seiner Belastungsabhängigkeit eine Anpassung der Motorspeisespannung an verschiedene Belastungsfälle gestattet.
Eine Ausführungsvariante der erfindungsgemässen Bohreinrichtung mit einer Anordnung zum Einstellen der einem Mehrphasen-Asynchron-Motor zugeführten Spannung in Abhängigkeit von seiner Belastung derart, dass die im Leerlauf anliegende Spannung mit zunehmender Belastung erhöht wird, mit einer an ein einphasiges oder mehrphasiges Wechselstromnetz angeschlossenen Gleichrichterschaltung.
welcher zur Spannungssteuerung ein von der Belastung des Asynchron-Motors abhängiges Steuersignal zugeführt wird, und mit einer an den Ausgang der Gleichrichterschaltung angeschlossenen Wechselrichterschaltung, welche aus steuerbaren Schalter-Elementen besteht, die eine Mehrphasen-Brücke zur Versorgung der Feldwicklungen des Asynchron-Motors mit einer entsprechenden Mehrphasen-Wechselspannung bilden, besteht darin, dass jedes der Schalter-Elemente der Mehrphasen-Brücke von einem Schaltungszweig überbrückt ist, der eine Rückstromdiode enthält, und dass das belastungsabhängige Steuersignal für die Gleichrichter-Schaltung aus dem durch mindestens eine der Rückstromdioden infolge des Abbaus der magnetischen Feldwicklungs-Energie des Asynchron-Motors fliessenden Stromes abgeleitet wird.
Um zu verhindern, dass der Motor überlastet wird, kann die Wechselrichterschaltung noch zusätzlich mit einem Begrenzerschaltungsteil versehen sein, der den Motorstrom auf einen Maximalwert begrenzt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 Kennlinien eines Mehrphasen-Asynchronmotors bei verschiedenen Motorspannungen,
Fig. 2 eine Dreiphasen-Brücke zur Erzeugung einer Wechselspannung für einen Dreiphasen-Asynchronmotor mit einer Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines belastungsabhängigen Steuersignales,
Fig. 3a bis 3c Impulsformen an dem gemeinsamen Widerstand der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 bei verschiedenen Belastungen des Motors.
Die in Fig. 1 dargestellten Kurven zeigen die Abhängigkeit des Kippmomentes Mk und damit die Belastbarkeit eines Mehrphasen-Asynchronmotors von der Motorspannung UM. Es bedeuten weiterhin n die Drehzahl, n0 die Leerlaufdrehzahl und Md das Drehmoment des Motors. Man erkennt, dass das Kippmoment Mk des Motors um so grösser ist, je höher die dem Motor zugeführte Wechselspannung ist.
Je höhe die dem Motor zugeführte Spannung ist. um so stärker ist auch seine Erwärmung. Da bei kleinen Belastungen auch das Kippmoment klein sein kann, ist man daher im
Sinne einer möglichst geringen Erwärmung des Motors be strebt, die Motorspannung an die Belastung anzupassen. Bis her wird mittels eines mit dem Motor gekoppelten Tacho generators ein entsprechendes Steuersignal erzeugt, das von der Belastung abhängt. Mit diesem Steuersignal wird eine
Gleichrichterschaltung gesteuert, die an ein Wechselstrom
Netz angeschlossen ist und eine dem Steuersignal entspre chende, in ihrer Höhe variierbare Gleichspannung erzeugt.
Der Gleichrichterschaltung ist eine Wechselrichterschaltung nachgeschaltet, welche aus steuerbaren Schalterelementen besteht, die eine Mehrphasenbrücke zur Versorgung der Feld wicklungen des Asynchron-Motors mit einer Mehrphasen
Wechselspannung bilden.
Eine derartige Mehrphasenbrücke ist in Fig. 2 gezeigt. Es handelt sich hier um eine Dreiphasen-Brücke. Die Schaltung enthält sechs Transistoren T1 bis T6, die hier Schalter-Ele mente bilden und von einem nicht dargestellten Impulssteuer system gesteuert werden. Die Transistoren T1 bis T6 liegen zwischen dem Pluspol und dem Minus-Pol der von der
Gleichrichterschaltung erzeugten Gleichspannung. An die
Dreiphasen-Brücke sind die drei Feldwicklungen W1, W2 und W3 des Dreiphasen-Asynchronmotors angeschlossen.
Fig. 2 enthält ferner eine Tabelle, aus welcher entnommen werden kann, wann welche Transistoren in der Taktfolge leitend sind. Beim ersten Takt sind beispielsweise die Transistoren T1 und T5 leitend, so dass der Gleichstrom, ausgehend von dem Plus-Pol über den Transistor T1, die Wicklung W3, die Wicklung W1 und den Transistor T5 zu dem Minus-Pol fliesst. Beim zweiten Takt sind die Transistoren T1 und T6 leitend, so dass der Strom, ausgehend von dem Plus-Pol über den Transistor T1, die Wicklung W3, die Wicklung W2 und den Transistor T6 zu dem Minus-Pol fliesst.
Die Transistoren T1, T2 und T3 der in Fig. 2 dargestellten Schaltung sind durch Rückstrom-Dioden D1, D2 bzw. D3 überbrückt. An die Kollektoren der Transistoren T4, T5 und T6 ist die eine Seite jeweils einer Rückstrom-Diode D4, D5 bzw. D6 angeschlossen. Die andere Seite der Dioden D4, D5, D6 ist zusammengeschaltet und mit der einen Seite eines Widerstandes Ro verbunden. Die andere Seite des Widerstandes Ro ist mit dem Minus-Pol verbunden. Die Dioden D1 bis D6 sind in bezug auf die Gleichspannung in Sperr-Richtung geschaltet. Parallel zu dem Widerstand Ro liegt ein Verstärker, der schematisch durch einen Transistor T7 und Widerstände R1 und R2 angedeutet ist.
Vom Punkt A am Kollektor des Transistors T7 kann nun eine belastungsabhängige Steuerspannung abgenommen werden, die zur Steuerung der oben erwähnten nicht dargestellten Gleichrichterschaltung verwendbar ist. Dadurch kann die Verwendung eines Tachogenerators entfallen.
Die Rückstrom-Dioden D1 bis D6 ermöglichen es, dass der Strom im Zeitpunkt des Abschaltens einer der Feldwicklungen W1, W2, W3 in der ursprünglichen Richtung weiter fliesst, so dass die in der Wicklungsinduktivität gespeicherte, magnetische Feldenergie abgebaut werden kann.
Während des ersten Taktes sind die Feldwicklungen W1 und W3 über die leitenden Transistoren T1 und T5 an die Gleichspannung angeschlossen. Beim zweiten Takt sind die Transistoren T1 und T6 leitend, so dass die Feldwicklung W1 abgeschaltet wird und die Gleichspannung über den Transistoren T1 und T6 an den Feldwicklungen W2 und W3 liegt.
Die in der abgeschalteten Feldwicklung W1 gespeicherte magnetische Feldenergie erzeugt nun einen Feldabbau-Strom, der in der gleichen Richtung fliesst wie der Strom, der während des ersten Taktes infolge der an der Feldwicklung W1 anliegenden Gleichspannung durch diese floss. Dieser Feld abbauStrom fliesst ausgehend von der Feldwicklung W1 über die Rückstromdiode D2, den leitenden Transistor T1 und die Feldwicklung W3 wieder zu der Feldwicklung W1. In diesem Fall fällt also an dem Widerstand Ro keine Spannung ab.
Während des dritten Taktes sind die Transistoren T2 und T6 leitend. Das bedeutet, dass nunmehr die Feldwicklungen W1 und W2 an die Gleichspannung angeschaltet sind. Die Feldwicklung W3 ist abgeschaltet. Die in der Feldwicklung W3 gespeicherte, magnetische Feldenergie erzeugt nun einen Feldabbau-Strom, der in der gleichen Richtung fliesst wie der Strom, der während des zweiten Taktes durch die Feldwicklung W3 infolge der anliegenden Gleichspannung floss. Dieser Feldabbau-Strom fliesst ausgehend von der Feldwicklung W3 durch die Feldwicklung W2, den leitenden Transistor T6, den Widerstand Ro und die Diode D4 wieder zu der Feldwicklung W3. Während des dritten Taktes fällt also an dem Widerstand Ro eine Steuerspannung ab, die dem von dem Transistor T7 gebildeten Verstärker zugeführt wird.
Während des vierten Taktes sind die Transistoren T2 und T4 leitend. Dadurch liegen die Feldwicklungen W1 und W3 an der Gleichspannung. Die Feldwicklung W2 ist abgeschaltet. Die in der Feldwicklung W2 gespeicherte, magnetische Energie erzeugt nun einen Feldabbau-Strom, der in der gleichen Richtung fliesst wie der Strom, der durch die Feldwicklung W2 infolge der an dieser anliegenden Gleichspannung während des dritten Taktes floss. Der Feldabbau-Strom fliesst ausgehend von der Feldwicklung W2 durch die Diode D3, den leitenden Transistor T2 und die Feldwicklung W1 zurück zu der Feldwicklung W2. Während des vierten Taktes fällt an dem Widerstand Ro also keine Steuerspannung ab.
Während des fünften Taktes sind die Transistoren T3 und T4 leitend. Dadurch liegen die Feldwicklungen W3 und W2 an der Gleichspannung. Die Feldwicklung W1 ist abgeschaltet. Die in der Feldwicklung W1 gespeicherte, magnetische Energie erzeugt nun einen Feldabbau-Strom, der in der gleichen Richtung fliesst wie der Strom, der während des vierten Taktes durch die Feldwicklung W1 infolge der an dieser anliegenden Gleichspannung floss. Der Feldabbau Strom fliesst ausgehend von der Feldwicklung W1 durch die Feldwicklung W3, den leitenden Transistor T4, den Widerstand Ro und die Diode D5 zurück zu der Feldwicklung W1.
Während des fünften Taktes fällt also an dem Widerstand Ro eine Steuerspannung ab.
Während des sechsten Taktes fällt an dem Widerstand Ro keine Regelspannung ab; dagegen fällt während des ersten Taktes an dem Widerstand Ro wiederum eine Regelspannung ab. Man erkennt, dass nur bei jedem zweiten Takt an dem Widerstand Ro eine Regelspannung abfällt. Die Spannung tritt also in Form von Impulsen an den Widerstand Ro auf.
Die Form der Steuer-Spannungsimpulse am Widerstand Ro kann den Fig. 5a bis 5c entnommen werden. In Fig. 3a ist der Motor normal belastet, in Fig. 3b ist der Motor leerlaufend und in Fig. 3c ist der Motor blockiert. Die im Integral am Widerstand Ro auftretende Regelspannung ist um so geringer, je stärker der Motor belastet ist, d. h. je geringer die Drehzahl des Motors ist. Die Steuerspannung ist also eine Funktion der Drehzahl des Motors. Die Welligkeit der Impulse stammt von den Kurzschlussstäben des Läufers des Asynchronmotors. Je stärker die Welligkeit ist, um so langsamer spricht die Regelung an.
Wenn die Läufernutenzahl z. B. grösser als die Statornutenzahl gewählt wird, haben die Impulse nahezu keine Welligkeit. Die Anhebung der Motorspannung auf ihren maximalen Wert würde in einem solchen Fall bereits bei einer geringen Vergrösserung der Belastung erfolgen. Ein derart schnelles Ansprechen des Regelvorganges ist jedoch unerwünscht, da es mit einem Überschwingen der Regelgrösse verbunden ist.
Dem Motor soll vielmehr wegen der damit verbundenen grösseren Leistungsaufnahme erst bei maximaler Belastung eine maximale Spannung zugeführt werden.
Versuche haben ergeben, dass z. B. bei 12 Statornuten und 10 Rotornuten oder 24 Statornuten und 22 Rotornuten ausreichende Welligkeit vorhanden ist. Bei 12 Statornuten und 16 Rotornuten tritt dagegen nahezu keine Welligkeit auf.
Es ist also sinnvoll, die Nutenzahl N1 des Stators zur Nutenzahl N2 des Rotors so zu wählen, dass den Spannungsimpulsen am Widerstand Ro eine starke Welligkeit mit einer möglichst hohen Frequenz überlagert wird.
Als günstig hat sich gezeigt: N2 Nl-2.