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Aus einer Gleichstromquelle gespeister Elektromotor ohne mechanischen
Kommutator Bei herkömmlichen Gleichstrommotoren werden die Ankerströme über einen
Kommutator und Bürsten in den Ankerkreis geleitet. Für die Betriebssicherheit ist
die Güte der Kommutierung von ausschlaggebender Bedeutung. Beim Stromübergang zwischen
Bürsten und Kommutator handelt es sich um einen Kontaktvorgang, bei dem durch die
Nutung, durch Riefen und andere Unebenheiten des Kommutators in Verbindung mit elektromagnetischen
Vorgängen die Betriebssicherheit infolge von Funkenbildung beim übergang der Bürsten
von einer Kommutatorlamelle zur anderen ungünstig beeinflußt wird. Es sind daher
Versuche unternommen worden, diese Fehlerquelle zu beseitigen, indem der mechanische
Kommutator durch elektronische Elemente ersetzt wurde.
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Es sind Motoren bekanntgeworden, bei denen durch elektronische Steuereinrichtungen
die Ständerwicklungen durch in Abhängigkeit von der Läuferstellung gegebene Gleichstromimpulse
so erregt werden, daß die mit ausgeprägten Magnetpolen versehenen Rotoren laufend
gleichsinnig angetrieben werden. Diese Motoren sind jedoch weniger als Gleichstrommotoren,
sondern eher als Wechselstrommotoren mit Pulsationscharakter anzusehen.
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Bei weiteren bekannten Arten von gleichstromgespeisten Motoren werden
Ringanker mit geschlossener Ankerwicklung verwendet, welche gleichmäßig über die
Peripherie verteilte Anzapfungen aufweist. Die, Anzapfleitungen dienen zur Stromzuführung
über eine Kommutierungseinrichtung aus elektronischen Elementen, welche an Stelle
des altbekannten mechanischen Kommutators tritt. Dabei ist jeder Anzapfleitung ein
Paar elektronischer Stromventile zugeordnet, die durch Steuervorrichtungen wechselseitig
geöffnet und geschlossen werden, und zwar in einer solchen Folge, daß im Anker die
gleiche periodische Stromverteilung zustande kommt wie bei einem mechanischen Kommutator
mit einer Lamellenzahl, welche der Zahl der Ankeranzapfungen entspricht. Bei einem
dieser bekannten Motoren sind an jeder Anzapfleitung die Eingangsklemmen zweier
in entgegengesetzter Richtung durchlässiger elektronischer Elemente angeschlossen,
deren Durchlässigkeit jeweils in Abhängigkeit von der räumlichen Lage durch direkte
Einwirkung magnetischer Felder bewirkt wird. Die Ausgangsklemmen sämtlicher elektronischen
Elemente der einen Durchlaßrichtung sind mit einem Schleifring, die Ausgangsklemmen
der elektronischen Elemente der anderen Durchlaßrichtung mit einem zweiten Schleifring
verbunden, deren Bürsten jeweils an einem Pol der Speisespannung angeschlossen ist.
Bei einem anderen bis auf die magnetische Steuerung in gleicher Weise geschalteten
Motor dienen Transistoren als elektronische Schaltelemente. Für die beiden Durchlaßrichtungen
werden hierbei pnp-Transistoren einerseits und npn-Transistoren andererseits verwendet.
Die Steuerung der Transistoren erfolgt bei dieser Anordnung mit Hilfe eines mechanischen
Kommutators, welcher jedoch lediglich die Steuerströme zu führen hat.
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Als Nachteil dieser bekannten Motoren ist in bestimmten Fällen anzusehen,
daß jeweils die beiden eine Kommutatorlamelle imitierenden elektronischen Elemente
an einer einzigen Ankeranzapfung liegen, wodurch genau die Wirkung eines mechanischen
Kommutators erzielt wird. Man hat also die althergebrachte Schaltung des Kommutators
in die elektronische Wirkungsweise übersetzt und dabei die Nachteile dieser Schaltorgane
mit übernommen, wie sie besonders bei Motoren mit ungeradzahligen Lamellenzahlen
zutage treten. Bei beispielsweise drei Kollektorlamellen sind stets zwei Drittel
der Ankerwicklung in der einen Richtung und ein Drittel der Ankerwicklung in der
anderen Richtung von Strömen unterschiedlicher Größe durchflossen, was starke Drehmomentänderungen
und einen unruhigen Gang zur Folge hat.
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Durch die Erfindung wird ein Motor angegeben, bei welchem die geschilderten
Nachteile vermieden werden. Der gleichstromgespeiste Motor mit einer in sich geschlossenen
Ankerwicklung, deren Anzapfungen statt mit Kommutatorlamellen mit nur in einer Richtung
durchlässigen und in Abhängigkeit von ihrer jeweiligen Lage gesteuerten elektronischen
Schaltelernenten verbunden sind, wobei an Stelle jeder Kommutatorlamelle zwei entgegengesetzt
gepolte elektronische Schaltelemente (npn- und pnp-Transistoren) vorgesehen sind,
ist erfindungsgemäß
derart ausgebildet, daß die als Ersatz für jede
Lamelle eines (l+2n)teiligen, vorzugsweise 3teiligen Kommutators vorgesehenen zwei
entgegengesetzt gepolten elektronischen Schaltelemente (des npn- und pnp-Typs) jeweils
an zwei benachbarten Anzapfungen einer in sich geschlossenen zweipoligen Anken wicklung
mit 2x (l+2n) Anzapfungen angeschlossen sind (wobei n eine von 0 verschiedene
ganze Zahl ist) und nach jeder räumlichen Verdrehung des b
Ankers um
3600 jeweils zwei diametral gegenüber-1 +2n liegende elektronische Schaltelemente
des npn-und pnp-Typs durch Induktionswirkung über Steuerspulen in den leitenden
Zustand gesteuert werden. Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß in Anordnungen
für eine ungerade Anzahl von Kommutierungen je Polarität und je Umdrehung
beide Hälften der Ankerwicklung des Motors stets von Strömen gleicher Größe durchflossen
werden, wodurch ein ruhigerer Lauf des Motors gegeben ist.
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In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erflnduno, dargestellt.
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In F i g. 1 bis 4 ist eine transistorgesteuerte Stromwendereinrichtung
für einen zweipoligen Ständer und einen Anker mit geschlossener Wicklung dargestellt.
Der Anker 1 wird über die Transistoren 2 (F i g. 3) aus der Batterie
4 nach Schließung des Schalters 5 gespeist. Die Stromzuführung von der Batterie
4 zum Anker 1 erfolgt (F i g. 1) über Schleifringe 6, 7 und
Bürsten 8, 9. Der Steuerkern 10, welcher mit dem Anker 1 über
die Welle 11 verbunden ist, träg *' t Spulen f, bis f. (F i
g. 4), in welchen Spannungen induziert werden, deren Richtung von der jeweiligen
Lage des Ankers abhängt. Außerdem ist ein von der Batterie 4 erre-ter Elektromagnet
12 (F i g. 1) vorgesehen, dessen Aufgabe an anderer Stelle behandelt wird.
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F i g. 1 zeigt das Grundschema des gesamten Motors; in F i
g. 2 ist die Gesamtschaltung des Läufers dargestellt.
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Die Einrichtung entspricht in ihrer Wirkung einem Motor mit 3teiligem
[allgemein mit einem (1 + 2 n)teili,-enl Kommutator und ist hier mit sechs
[allgemein mit 2 (l+2n)] Transistoren ausgerüstet, von denen die Hälfte aus pnp-,
die andere Häfte aus npn-Flächentransistoren besteht. F i g. 3 zeigt zum
besseren Verständnis der Schaltung der Transistoren nochmals die Teilschaltung für
die stromführende Diagonale. In F i g. 4 ist schematisch die Anordnung des
Steuerkerns wiedergegeben, dessen Spulen f, bis f(, mit gleichem Wicklungssinn aufeinanderfolgen.
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Da nun zwei aufeinanderfolgende Transistoren wegen ihres verschiedenen
Aufbaus verschieden gepolte Steuerspannungen zum Einschalten benötigen, so, schaltet
der eine nur mit Nord-, der andere nur mit Süd-Magnetismus. Deshalb beträgt der
Schaltwinkel jeweils 2 - 60 = 120'. Andererseits erhalten jeweils zwei diametral
gegenüberliegende Schaltspulen zwar verschieden gepolte Steuerspannungen; da diese
aber auf Transistoren mit entgegengesetzter Durchgangsrichtung wirken, werden beide
stets gleichzeitig ein- und ausgeschaltet, wobei die Stromrichtung J in den
Ankerzuleitungen jeweils der gewünschten Richtung entspricht. F i g. 3 zeigt,
daß während der Einschaltdauer, wie es sein soll, die Wicklung des Ankers
1 vom Arbeitsstrom durchflossen ist. Der Einschaltbereich kann durch Änderung
der Polschuhbreite Elektromagneten 12, der Ein -und Ausschaltzeitpunkt durch Verdrehen
des Steuerkerns 10 auf der Motorachse einreguliert werden.
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Bei den Anordnungen nach der Erflndung sind im Stillstand sämtliche
Schalttransistoren gesperrt. Die Steuerung setzt erst in der Bewegung ein. Infolgedessen
läuft ein solcher Motor ohne besondere Maßnahmen nicht von selbst an, auch dann
nicht, wenn der Schalter 5 geschlossen wird. Der Anlauf kann außer durch
Anwerfen auf sehr verschiedene Weise erreicht werden, z. B. durch einen kleinen
Elektromagneten 12, der nach F i g. 1 in der Nähe des Steuerkerns
10 befestigt ist, beim Einschalten des Batterieschalters 5 erregt
wird und im Steuerkern 10
kurzzeitig eine Steuer-EMK erzeugt.