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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Einphasen-Synchronmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Stand der Technik:
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Einphasen-Synchronmotoren
sind kostengünstig
herzustellen und werden vielfach in Haushaltsmaschinen eingesetzt.
Bevorzugt werden sie dabei als Antrieb von Pumpen verwendet. Um
den Motor mit vom Versorgungsnetz aufgeprägter Netzfrequenz starten zu
können,
ist üblicherweise
ein Freilauf vorgesehen, der zwischen der Motorwelle und dem durch
die Motorwelle angetriebenen Element, z.B. dem Pumpenrad zwischengeschaltet
ist.
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Die
mit Permanentmagneten bestückte
Motorwelle weist eine dermaßen
geringe Masse auf, dass sie mit dem Drehfeld des Netzes synchron
gestartet werden kann. Nach erfolgter fester magnetischer Kopplung
der Motorwelle mit dem Netz-Drehfeld wird durch eine Mitnahmevorrichtung
im Freilauf das vom Einphasen-Synchronmotor angetriebene Element,
im obigen Beispiel das Pumpenrad, von der Drehbewegung erfasst und
mitgenommen.
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Grundsätzlich hat
der Einphasen-Synchronmotor zwei mögliche Anlaufrichtungen, linksdrehend bzw.
rechtsdrehend mit einer Drehrichtungswahrscheinlichkeit von etwa
50% für
jede Richtung.
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Neben
Anwendungsfällen,
bei denen die Drehrichtung gleichgültig ist, z.B. bei Pumpen,
die bei beiden Laufrichtungen etwa die gleiche Fördereigenschaft aufweisen,
gibt es auch Anwendungsfälle,
die abhängig
von der Drehrichtung des Motors sind.
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Um
die gewünschte
Drehrichtung des Einphasen-Synchronmotors beeinflussen zu können, ist es
beispielsweise bekannt, das Massenträgheitsmoment, den Freilaufwinkel
oder den Lastmomentverlauf über
den Drehwinkel derart zu beeinflussen, dass bei richtiger Laufrichtung
die auf die Motorwelle wirkende Last so gering ist, dass der Motor
möglichst nicht
außer
Tritt fällt,
also der magnetisch in das vom Netz vorgegebene Drehfeld eingekoppelte
Rotor auch mit seiner Last in der gleichen Richtung weiterdreht.
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Um
zu vermeiden, dass der Rotor in die nicht gewünschte, also falsche Laufrichtung
anläuft,
wird versucht, für
diesen Fall ein möglichst
großes
Moment auf die Motorwelle zu erzeugen, so dass der Motor möglichst
außer
Tritt fällt,
d.h. die Welle erfährt eine
derart große
Krafteinwirkung entgegen ihrer Laufrichtung, dass sie diese umkehrt.
Der Motor "schlägt" somit bei falschem
Anlauf aufgrund entsprechender Abstimmungen der oben angegebenen mechanischen
Parameter in die richtige Drehrichtung um.
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Da
die Beeinflussungsmöglichkeit über diese Parameter
jedoch relativ beschränkt
ist, kann nicht zuverlässig
gewährleistet
werden, dass der Motor immer in der richtigen Laufrichtung läuft. Dadurch
werden aber Betriebszustände
erreicht, bei denen die Prozessschritte während eines Programmablaufs nicht
ausgeführt
werden können,
wie beispielsweise ein Spülvorgang
bei einem Reinigungsprozess.
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Ein
weiterer Nachteil solcher mechanischer Einflussnahmen auf die Laufrichtung
liegt in der Festlegung auf eine bevorzugte Laufrichtung.
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Aufgabe und Vorteile der
Erfindung:
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Einphasen-Synchronmotor
nach der einleitend genannten Art derart weiterzubilden, dass sich
dieser garantiert in einer definierten Drehrichtung dreht.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. In den
Unteransprüchen
sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen
der Erfindung angegeben.
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Die
Erfindung geht von einem Einphasen-Synchronmotor nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 aus. Der Kern der Erfindung liegt darin, dass eine
Startvorrichtung für
den Anlauf des Einphasen-Synchronmotors mit einer definierten Drehrichtung
vorhanden ist. Durch die Verwendung einer solchen Startvorrichtung
kann erfindungsgemäß sichergestellt
werden, dass die mit dem Einphasen-Synchronmotor angetriebene Komponente
garantiert die ihr zugedachte Funktion in einem Prozessablauf erfüllen kann.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
kann es sogar vorgesehen sein, dass die definierte Drehrichtung
auswählbar
ist. Hiermit ergibt sich ein weiterer Vorteil dadurch, dass mit
diesem kostengünstigen Einphasen-Synchronmoter
Multifunktionskomponenten angetrieben werden können, die beispielsweise drehrichtungsabhängig verschiedene
Funktionen in einem Prozessablauf realisieren.
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Ein
Anwendungsbeispiel wäre
die Förderung eines
Mediums an eine bestimmte Empfangseinheit, die aus zwei verschiedenen
Empfangseinheiten auswählbar
ist, wobei der Einphasen-Synchronmotor
als Antrieb einer drehrichtungsabhängig fördernden Pumpe dient.
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Im
Fall eines Geschirrspülers
könnten
die Empfangseinheiten ein erster bzw. ein zweiter Sprüharm sein,
der nur dann von der Pumpe mit Spülflüssigkeit versorgt wird, wenn
diese sich in die entsprechende Richtung dreht. Vorzugsweise ist
die Pumpe dabei mit entgegengesetzt tangential vom Pumpengehäuse abgehenden
Förderauslässen versehen, wobei
je ein Auslass einen Sprüharm
abhängig
von der Drehrichtung des Einphasen-Synchronmotors versorgt.
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Um
festzustellen, ob der Motor in die richtige oder die falsche Drehrichtung
dreht, kann in einer weiter bevorzugten Ausführungsform eine Drehrichtungs-Erkennungsvorrichtung
vorgesehen sein. Sofern der Motor in die falsche Drehrichtung anläuft, kann
dieser durch die Startvorrichtung angehalten werden. Dadurch ist
gewährleistet,
dass sich der Einphasen-Synchronmotor
im Betrieb nicht in die falsche Drehrichtung dreht.
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Nachfolgend
ist es möglich,
diesen wieder zu starten und wiederum auf die richtige Drehrichtung hin
zu überprüfen. Dieser
Startvorgang kann so oft wiederholt werden, bis sich der Motor in
die richtige Richtung dreht. Aufgrund der Wahrscheinlichkeitsverteilung
ca. 50% zu 50% richtige Drehrichtung zu falscher Drehrichtung sind
dabei nur wenige Wiederholungen erforderlich, bis sich der Motor
in die richtige Richtung dreht.
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So
können
auch problematische Anwendungsfälle
sicher beherrscht werden, wie z.B. der Antrieb von Spülmittelpumpen.
Die Einhaltung der vorgegebenen Drehrichtung kann selbst dann gewährleistet
werden, wenn die Pumpenkammer mit Schaum durchsetzt ist. Mit den
bisher bekannten mechanischen Einflussnahmen ist dies dagegen nur schwer
bis gar nicht möglich.
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Zur
Vermeidung von Schäden
bei gegebenenfalls erforderlichem wiederholtem Starten, nach einem
Anlauf des Motors mit falscher Drehrichtung, kann in bevorzugter
Weise eine Pause zwischen Abschalten und erneutem Starten des Motors
vorgesehen sein. Diese Pause kann z. B. auf der Grundlage einer
Zeitbasis realisiert werden, wobei vorzugsweise die Netzfrequenz
berücksichtigt
wird. Ebenfalls denkbar sind aber auch rotorpositions- oder bewegungsabhängige Pausen.
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Bezüglich der
Drehrichtungs-Erkennungsvorrichtung ist es besonders vorteilhaft,
wenn diese einen Parameter der Motorversorgungsspannung auswertet.
Insbesondere sind dabei der Nulldurchgang der Spannung oder des
dadurch verursachten Stroms durch die Motorwicklungen hervorragend
geeignet, als Startsignal für
bestimmte Überwachungsvorgänge herangezogen
zu werden. Zur eindeutigen Signalauswertung kann es weiterhin vorteilhaft
sein, analoge Signale in digitale Signale zu überführen und diese zu bewerten.
Dadurch sind einerseits stabile und eindeutige Signalzustände für bestimmte
Zeit- und/oder Rotorpositionsabschnitte
gewährleistet,
andererseits können
die Signalflanken als Startsignal für weitere Vorgänge herangezogen
werden.
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Mit
einem solchen Parameter kann z.B. als erste Drehrichtungs-Information
die Phasenlage des von der Versorgungsspannung abhängigen Wechselfeldes
bestimmt werden, welches den Rotor antreibt. Abhängig von der anzutreibenden
Last eilt der Rotor dem Wechselfeld mit einem entsprechenden Winkelversatz,
dem sogenannten Polradwinkel, zwischen 0° und 90° nach.
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Bei
einem gegen 90° gehenden
Polradwinkel besteht jedoch die Gefahr, dass der Motor bereits durch
geringe Lastwechsel außer
Tritt kommt, und mit einem massiven Schlag in die Gegenrichtung dreht.
Vorzugsweise ist deshalb darauf zu achten, dass der Polradwinkel
innerhalb eines unkritischen Bereichs bleibt, so dass ein ausreichender
Spielraum für
ggf. schwankende Lastbedingungen sichergestellt ist.
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Um
dies zu gewährleisten,
sind die mechanischen Parameter wie Massenträgheitsmoment, Freilaufwinkel,
Lastmomentverlauf über
die Drehzahl und dergleichen vorzugsweise so auszulegen, dass der Polradwinkel
sich bei anwendungsüblichem
Betrieb beispielsweise nur zwischen 0° und 60° bewegt, insbesondere zwischen
0° und 45°. Dieser
Sachverhalt gilt im Übrigen
für beide
Laufrichtungen.
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Um
einen Bezug zwischen dem versorgungsspannungsabhängigen Wechselfeld und der Winkellage
des Rotors herstellen zu können,
kann ein Sensor zur Erfassung der Drehrichtung vorgesehen sein.
Dieser Sensor kann z.B. ein der Lage des Rotors entsprechendes Signal
liefern, das in Verknüpfung
mit der Auswertung des Motorversorgungsspannungs-Parameters eine
eindeutige Drehrichtungs-Erkennung ermöglicht.
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Je
nach Anwendungsfall ist es möglich,
eine einfache, zweifache oder auch vierfache Auswertung pro Rotorumdrehung
durchzuführen.
Je anspruchsvoller die Anwendung, desto höher kann die Anzahl der Auswertungen
sein. Andersherum kann eine kostengünstige Ausführungsform durchaus mit einer
einzigen Sensor-Signal-Auswertung pro Umdrehung auskommen.
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Um
sicherzustellen, dass die erfassten Signalwerte, vorzugsweise digitalisierte
Signalwerte, eindeutig und richtig sind, kann ein entsprechender Versatz
zwischen Nulldurchgang des primär
zugrunde liegenden Startsignals und dem Abfragezeitpunkt der Prüfsignale
liegen. Die Größe des Versatzes
zwischen Nulldurchgang und einem günstigen Abfragezeitpunkt ist
frequenz- bzw. winkelabhängig
von der Versorgungsspannung.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
kann zur Erfassung des rotorlageabhängigen Signals ein Hall-Sensor
verwendet werden, vorzugsweise mit digitalisiertem Ausgang. Dann
kann dieses Signal sogar sofort ohne weitere Aufbereitung für die Auswertung
herangezogen werden.
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Durch
die Verwendung eines erfindungsgemäßen Einphasen-Synchronmotors als
Pumpenantrieb kann insbesondere auch bei Haushaltsmaschinen, wie
Geschirrspülern,
Waschmaschinen, Getränkeautomaten
und dergleichen, ein zuverlässiger
Programmablauf gewährleistet
werden. Wie zum Beispiel der Ablauf eines Wasch- oder Reinigungsprogramms
oder auch eines Getränke-Aufbereitungsprogramms,
durch Förderung
bestimmter Flüssigkeiten
an definierte Flüssigkeitsabgabevorrichtungen. Es
kann garantiert sichergestellt werden, dass die zur Förderung
vorgesehene Flüssigkeitsmenge
ohne Fehlerquote die richtige Flüssigkeitsabgabevorrichtung
versorgt, und zwar auch bei ggf. betriebsbedingten Änderungen
der Parameter, wie z.B. Lufteinschluss im Pumpenvolumen, sei es
durch Schaum oder Blasenbildung aufgrund Überhitzung der Flüssigkeit.
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Zeichnungen:
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung ist in den nachfolgenden Zeichnungen dargestellt und
unter Angabe weiterer Einzelheiten nachstehend näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 einen
schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Motors,
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2 schematische
Kennlinien des erfindungsgemäßen Motors
bei hoher Last und
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3 schematische
Kennlinien des erfindungsgemäßen Motors
bei Leerlauf.
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In 1 ist
ein Einphasen-Synchronmotor 1 mit einem Rotor 3 und
einem Hallsensor 2 dargestellt. Für den Anlauf des Einphasen-Synchronmotors 1 mit
einer definierten Drehrichtung "l" bzw. "r" ist dieser über Leitungen 11 mit
einer Startvorrichtung 4 verbunden. Mittels einer Drehrichtungs-Auswahleinheit 5 ist
die Startvorrichtung 4 in der Lage, dem Einphasen-Synchronmotor 1 eine
definierte Drehrichtung, links bzw. rechts, vorzugeben.
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Eine
Drehrichtungs-Erkennungsvorrichtung 6 dient der Startvorrichtung 4 zur Überwachung
der Motordrehrichtung. Bei erkannter falscher Drehrichtung ist diese
mittels einer Stopp-Einheit 7 in der Lage, den Motor anzuhalten.
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Mittels
weiterer, beispielhaft dargestellten Einheiten 8 bis 10 ist
die Startvorrichtung 4 in der Lage, weitere Funktionen
für den
ordnungsgemäßen Betrieb
des Einphasen-Synchronmotors zur Verfügung zu stellen. So ist sie
beispielsweise dazu in der Lage, den Einphasen-Synchronmotor bei
vorherigem falschen Anlauf wiederholt zu starten, wobei zur Vermeidung
eventueller Schäden
vorzugsweise eine Pause zwischen dem Abschalten und dem erneuten Starten
des Motors vorgesehen ist.
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Die
Drehrichtungs-Erkennungsvorrichtung 6 ist als Teil der
Startvorrichtung 4 in der Lage, einen Parameter der Motorversorgungsspannung
auszuwerten, welcher besonders bevorzugt der Nulldurchgang der Versorgungsspannung
ist. Dadurch kann ein eindeutiger Bezug auf das von der Netzspannung aufgeprägte, die
Drehrichtung des Einphasen-Synchronmotors
mitbestimmende Wechselfeld hergestellt werden.
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Mittels
eines Sensors 2, welcher vorzugsweise ein Hallsensor mit
digitalem Ausgang ist, kann ein weiterer Parameter für die Drehrichtungs-Erkennung erfasst
werden. Ein geeigneter Ort für
die Anbringung dieses Sensors 2 am Einphasen-Synchronmotors liegt
in dem Bereich, in welchem die nach außen hin wirksamen Kraftlinien
des Magnetflusses zwischen Nordpol und Südpol mehr oder weniger gleich
stark ausgeprägt
sind, wie dies aus der symbolischen Darstellung der 1 erkennbar
ist.
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Die
gezeigte Ausrichtung des Rotors 3 im Blechpaket des Einphasen-Synchronmotors 1 liegt
in der im Wesentlichen remanenzfreien Eigenschaft des Motoraufbaus
begründet.
Dadurch richtet sich der Rotor 3 im drehkraftfreien Zustand
mit seinen beiden Polen immer in Richtung des geringst möglichen Widerstandes
für den
magnetischen Fluss zwischen seinem Nordpol und dem gegenüber liegenden, durch
ihn verursachten Südpol
in der magnetischen Rückkopplung
durch die Eisenbleche. Entsprechendes gilt selbstverständlich für seinen
Südpol.
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Aufgrund
der Anordnung des Sensors 2 im magnetisch neutralen Bereich
des Motors wechselt ändert
sich das Sensorsignal, sobald sich der Rotor zu drehen beginnt,
und damit das nach außen
hin wirksame magnetische Feld im Bereich des Sensors zwangsweise
eine Änderung
erfährt.
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Im
Falle des Hallsensors mit digitalem Ausgang schaltet das Sensorsignal
von "0" auf "1" oder umgekehrt. Insbesondere durch
die kombinierte Auswertung des Parameters der Motorversorgungsspannung
und dieses Sensorsignals ist eine zweifelsfreie Bestimmung der Motordrehrichtung
möglich.
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Die
Drehrichtungs-Erkennungsvorrichtung ist dabei geeignet, das Sensorsignal
und/oder den Parameter der Motorversorgungsspannung über einen
Versatz des Polradwinkels zwischen 0° und 90° auszuwerten. Bevorzugt wird
aber ein Bereich zwischen 0° und
60°, insbesondere
ein Bereich zwischen 0° und
45°. Dadurch
besteht die Möglichkeit, ein
geeignetes Fenster für
die Signalerfassung auszuwählen,
in welcher sowohl ein Linkslauf als auch ein Rechtslauf des Einphasen-Synchronmotors
bestimmbar ist.
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Durch
einen solchen Aufbau ist es möglich, die
vergleichsweise preisgünstigsten
Einphasen-Synchronmotoren als Antriebe verschiedenster Komponenten
mit drehrichtungsabhängigem
Betrieb zu verwenden. Insbesondere geeignet ist dieser Antrieb für Pumpen
zur Förderung
von Flüssigkeiten, welche
vorzugsweise in Haushaltsmaschinen eingesetzt werden, wie z.B. Waschmaschinen,
Geschirrspüler,
Getränkeautomaten
und dergleichen.
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Zur
weiteren Integration eines solchen Einphasen-Synchronmotors in eine entsprechende
Vorrichtung kann die Startvorrichtung 4 über den
symbolisch dargestellten Ausgang 13 beliebige Signale oder
Signalzustände
nach außen
abgeben. Beispielsweise zur Aktivierung weiterer Funktionalitäten, wie
eine externe Anzeige, oder intern die Aktivierung einer Heizung,
und/oder dergleichen mehr.
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Über den
symbolisch dargestellten Eingang 14 ist die Startvorrichtung 4 sowohl
energie- als auch signalmäßig eingangsseitig
versorgbar.
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In
den 2 und 3 sind mehrere Signale bzw.
Kurven dargestellt. Hierbei betrifft die Kurve I die Netzspannung
und die Kurve II die digitalisierte Netzspannung des Motors 1.
Die Kurve III stellt das Signal des Hallsensors 2 schematisch
dar. Die Kurve IV zeigt schematisch das Startsignal zur Auswertung (Flankentriggerung).
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In
den 2 und 3 wird bei jeder Flanke der
vierten Kurve IV die Drehrichtung ausgewertet. Wie man beim Vergleich
der beiden 2 (hohe Last) und 3 (Leerlauf)
gut erkennen kann, wurde der Auswertezeitpunkt so gelegt, dass der
gesamte mögliche
Polradwinkel (also die Verschiebung der dritten Kurve III bzw. des
entsprechenden Signals zwischen 0° und
60°) nahezu
keine Signalveränderung
gibt und damit eine fehlerfreie Auswertung möglich ist.
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Vorzugsweise
wird bei der Auswertung der Drehrichtung die "Zweifachauswertung" angewendet, d.h. pro Umdrehung (360°) wird zweimal
die Drehrichtung ausgewertet (bei beiden Flanken der Kurve IV).
Möglich
und üblich
sind jedoch grundsätzlich
eine, zwei und vier Auswertungen pro Umdrehung. Die Auswertung geschieht
in diesen Fällen analog.
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Bei
allen Figuren läuft
der Motor in die gleiche Richtung (rechts). Dies ist daran erkennbar,
dass das Hallsignal III bei der positiven Auswerteflanke (Kurve
IV geht von „0" auf „1") „1" ist und bei der
negativen Auswerteflanke (Kurve IV geht von „1" auf „0") „0" ist. Bei Linkslauf
ist das Hallsignal (Kurve IV) invertiert (bzw. um den zweifachen
Polradwinkel verschoben, was aber bei geschickter Wahl der Auswerteposition
egal ist). Im Linkslauf ergibt sich somit bei der positiven Auswerteflanke
eine "0" beim Hallsignal IV,
bei der negativen Auswerteflanke eine "1" beim Hallsignal
IV.
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- 1
- Einphasen-Synchronmotor
- 2
- Sensor
- 3
- Rotor
- 4
- Startvorrichtung
- 5
- Drehrichtungs-Auswahleinheit
- 6
- Drehrichtungs-Erkennungsvorrichtung
- 7
- Stopp-Einheit
- 8
- weitere
Einheit
- 9
- weitere
Einheit
- 10
- weitere
Einheit
- 11
- Leitung
- 12
- Leitung
- 13
- Ausgang
- 14
- Eingang
- I–IV
- Kurve
- l
- Drehrichtung
- r
- Drehrichtung