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Gleichstromantrieb mit über Transistoren gesteuerten Ankerspulen Die
Erfindung betrifft Gleichstromantriebe, welche aus einer Batterie über Transistoren
gespeist werden, die durch einen Steuerkreis in Abhängigkeit von der jeweiligen
relativen Lage zwischen Läufer und Ständer gesteuert werden. Geräte, welche von
derartigen batteriegespeisten Motoren angetrieben werden, z. B. Tonbandgeräte, Plattenspieler
u. dgl., sollen möglichst an eine Fremdstromquelle, z. B. eine Kraftwagenbatterie
oder an das allgemeine Speisenetz, über . einen Gleichrichter anschließbar
sein. Der Zweck dieser Forderung besteht darin, die Stromentnahme aus den eingebauten
Zellen, z. B. Sammlerknopfzellen, möglichst niedrig zu halten, um die lästige und
kostspielige Auswechslung oder Aufladung der Zellen einzuschränken. Kraftwagenbatterien
oder das Speisenetz können demgegenüber auf Grund der ihnen innewohnenden Energie
für derartig kleine Geräte unbeschränkt in Anspruch genommen werden. . Es
ist ein Motor bekanntgeworden, bei welchem zwei in Reihe geschaltete, aus
je zwei Spulenteilen bestehende Ankerspulen des Motors in der Wechselstrombrückendiagonalen
einer aus vier gesteuerten Transistoren aufgebauten Brückenschaltung liegen. Die
Gleichstromdiagonale dieser Brückenschaltung wird durch zwei in Reihe liegende Gleichstromquel-]en
gebildet. Die Mittelpunkte beider Diagonalen sind miteinander verbunden. Die Steuerung
der Transistoren erfolgt dabei so, daß während eines vorgegebenen Winkelweges des
Motors, insbesondere einer Umdrehung, jede Ankerspule zweimal in verschiedenen Richtungen
stromdurchflossen ist. Dieser Motor hat einen sehr guten Wirkungsgrad.
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- Bei einem anderen bekannten Motor werden vier Ankerspulen
über vier Transistoren in gleicher Drehwinkelabhängigkeit ausgesteuert, wobei aber
jede Ankerspule mit einem zu ihr in Reihe geschalteten Transistor parallel zu einer
einzigen Stromquelle liegt. Dadurch, daß jede Ankerspule während eines vorgegebenen
Winkelweges des Motors, insbesondere einer Umdrehung, nur einmal in einer Stromrichtung
durchflossen wird, hat dieser Motor einen schlechteren Wirkungsgrad.
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Durch die Erfindung soll ein Gleichstromantrieb angegeben werden,
welcher die Vorteile der beiden bekannten Motoren ausnützt und durch einfache Umschaltung
eine Anordnung angibt, welche beide Motoren in einer einzigen Ausführung kombiniert.
Der Qleichstromantrieb, bei welchem zwei in Reihe geschaltete, aus je zwei
Spulenteilen bestehende Ankerspulen des Motors in der Wechselstrombrükkendiagonalen
einer aus vier gesteuerten Transistoren aufgebauten Brückenschaltung liegen und
zwei in Reihe geschaltete Stromquellen in der Gleichstromdiagonalen der Brückenischaltung
vorgesehen sind, wobei die Mittelpunkte beider Diagonalen miteinander verbunden
sind, so daß während eines vorgegebenen Winkelweges des Motors, insbesondere einer
Umdrehung, jede Ankerspule zweimal in verschiedenen Richtungen stromdurchflossen
ist, hat erfindungsgemäß das Kennzeichen, daß die beiden Spulenteile jeder Ankerspule
in der Grundschaltung parallel geschaltet sind und daß der Motor durch einen Umschalter
wahlweise von den zwei in Reihe geschalteten inneren Stromquellen auf eine äußere
Stromquelle unterschiedlicher Leistung so umschaltbar ist, daß jeder einzelne der
vier Spulenteile von einem mit diesem in Reihe liegenden Transistor derart gesteuert
wird, daß er während des vorgegebenen Winkelweges einmal stromdurchflossen ist und
jede aus Transistor und Spulenteil bestehende Einheit parallel zur Stromquelle liegt.
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Die neue Schaltung hat die Wirkung, daß der Motor bei Betrieb mit
den ün Gerät eingebauten Zellen einen sehr hohen Wirkungsgrad zur Herabsetzung der
Stromentnahme aus den Zellen hat, wobei gleichzeitig als zusätzliche Maßnahme die
Mög-
lichkeit geschaffen ist, den Motor an eine einzige Außenstromquelle anzuschließen;
hierbei ist jedoch der Wirkungsgrad herabgesetzt, da die Spulen jeweils nur einmal
während einer Umdrehung stromdurchflossen sind, also zur Erzielung der gleichen
Leistung eine hohe Stromaufnahme und damit erhöhte Kupferverluste bedingen. Dieser
Nachteil fällt aber nicht ins Gewicht, denn die Fremdstromquelle ist der Größenordnung
nach gegenüber der erforderlichen Leistung praktisch unerschöpflich, so daß die
höhere Verlustleistung vollkommen vemachlässigbar ist. Die Erfindung geht von der
Erkenntnis aus, daß selbst bei höheren Verlusten die HÖchsttemperatur im Motor das
zulässige Maß nicht überschreitet, da nämlich der
Motor bezüglich
der Wärmeentwicklung überdünensioniert ist. Dies erfolgt mit Rücksicht auf den verlangten
hohen Wirkungsgrad bei der Arbeit mit den eingebauten Zellen, damit diese, wie bereits
erwähnt, eine möglichst lange Lebensdauer haben. Mit anderen Worten: Während der
Arbeit -mit der #Eigenstromquelle wird nie die -höchstzulässige Temperatur erreicht,
so daß eine thermische Reserve für die Arbeit mit einer Fremdstromquelle trotz Erzeugung
höherer Kupferverluste vorhanden ist; diese Reserve wird durch die Erfindung ausgenutzt.
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In den Zeichnungen wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen
des näheren erläutert. In F i g. 1 ist das Schaltbild eines transistorgespeisten
Motors gemäß der Erfindung dargestellt, dessen Stromversorgung durch zwei eingebaute,
einander völlig gleiche Batterien 11 -bzw. 21 von beispielsweise je 4 V Spannung
erfolgt. Dieser Motor hat nun einen Umschalter U mit drei Stellungen, der
aus den Kontaktsätzen wi bzw. w2 und w. (Wechselkontakte,- die Umschaltkontakte
sind) sowie zwei Ausschaltkontakten al bzw. a. besteht. Die Kontaktsätze w. bzw.
w 2 des Unischalt#rs U befinden sich nun in der Stellung, daß die im Gerät
eingebauten Batterien 11 bzw. 21 für die Speisung des Motors eingeschaltet
sind, und zwar ist die Batterie 11 über den Wechselkontakt a # w1
mit ihrem -Pol an die beiden, verbundenen Kollektoren der Ankertransistoren
12 bzw. 22 angeschlossen, und die Batterie 21 ist über den Wechselkontakt a
- w2 mit ihrem +Pol an die miteinander verbundenen Emitter der Ankertransistoren
13 bzw. 23 angeschlossen. Ferner sind die Ankerspulen 10
bzw.
10' durch den Wechselkontakt a - w
3 und den Ausschaltkontakt (Unterbrecherkontakt) a, parallel geschaltet.
Ferner sind die Ankerspulen 20 bzw. 20' durch den Wechselkontakt a - w..
und den Ausschaltkontakt (Unterbrecherkontakt) a. ebenfalls parallel geschaltet.
Aus der F i g. 1 ergibt sich unter Weglassung der Kontakte des Umschalters
U der vereinfachte und übersichtlichere Stromlaufplan gemäß F i
g. 2 für die an sich bekannte Grundschaltung des Motors.
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Wie F i g. 2 zeigt, sind also die Ankertransistoren 12 bzw.
13, 22 und 23 zu einer Brückenschaltung zusammengefaßt. In der einen
Diagonalen (vertikal) liegen die in Serie geschalteten Batterien 11 bzw.
21, in der anderen Diagonalen (horizontal) liegen in Serie die beiden Gruppen von
je zwei paraUelgeschalteten Ankerspulen 10, 10' in Serie mit 20, 20'.
Die sich in der Mitte kreuzenden Verbindungsleitungen sind gemäß der Schaltung nach
F i g. 1 bzw F i g. 2 miteinander verbunden, so daß die beiden Gruppen
der jeweils parallelgeschalteten Ankerwicklungen während einer vollen Umdrehung
des Magnetläufers des Motors zweimal im Gegentakt mit Erregerströmein abwechselnd
aus den Batterien 11 bzw. 21 gespeist werden können, sofern im Betrieb des
Motors die vier Ankertransistoren in einer ganz bestimmten zyklischen Folge erregt
werden. Die Erregung der Ankertransistoren kann beispielsweise in an sich bekannter
Weise durch einen hochfrequent schwingenden Oszillator erfolgen, dessen Impulse
in Ab-
hängigkeit von der Läuferstellung die Transistoren stromdurchlässig
machen. Der Konstruktion des Motors entsprechend, liegen die Achsen der elektrisch
parallelgeschalteten Spulen 10 bzw. 10' parallel, während die Achsrichtung
der anderen parallelgeschalteten Spulen 20 bzw. 20' senkrecht zu den ersten,
- 4 Spulenachsen -liegt. Die in den Ankerispufen jeweils erregten Magnetfelder
liegen also ebenfalls in gleicher Achsrichtung ihrer erregenden Ankerspulen. Die
Drehrichtung des Magnetläufers ist nun durch die Strofnrichttin-g-m" den Kupferwindungen-
der--#erspulen- und die Richtung ihrer erregten Magnetpole gegenüber der Magnetfeldrichtung
des Magnetläufers konstruktiv und schaltungsgemäß festgelegt.
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Die Erregungsschaltung des Motors kann durch den Umschalter
U so umgeschaltet werden, daß die Speisung aus einer äußerlich anschließbaren
Stromquelle, beispielsweise einer Autobatterie von 6 V Spannung oder einem
Netzgleichrichter gleicher Spannung erfolgt. Wie in F i g. 3 - dargestellte
ist der Umschalter von einer Betriebsstellung über eine Aus-Stellung in die andere
Betriebsstellung geschaltet worden. Die Ausschaltkontakte ajL und a2 sowie der Wechselkontakt
w3 - b haben die Parallelschaltung der Ankerwicklungen 10 bzw.
10' und 20 bzw. 20' aufgetrennt und die Ankerwicklungen mit den Ankertransistoren
zu einer Erregungsschaltung gemäß F i g. 3 und - in. vereinfachter
Darstellung- - gemäß F i g. 4 zusarnm engeschaltet. Die beiden Wechselkontakte
w. bzw. w2 haben ebenfalls in -Stellung b die fremde Stromquelle (6-V-Batterie),
die an den Anschlußklemmen- + bzw. - angeschlossen ist, in die erregungsbereite,
Schaltung eingeschaltet.
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Wie F i ge 4 zeigt, liegt nun eine Erregungsschaltung des Motors vor,
in welcher jede Ankerspule durch einen zugeordneten Ankertransistor, welcher, wie
schon in Verbindung mit F i g. 1 erläutert wurde, durchgeschaltet werden
kann, aus einer 6-V-Stromquelle erregt wird. Der Motor hat in dieser Schaltung einen
geringeren Wirkungsgrad gegenüber der Schaltung in F i g. 2, wie im Nachstehenden
des näheren erläutert wird. Dieser Nachteil fällt - aber wegen der wesentlich
höheren Belastbarkeit der anschließbaren, äußeren Stroniquelle (6-V-Autobatterie
oder Netzgleichrichter) nicht ins Gewicht..
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In einer Umdrehung des Motorläufers bleibt jede Ankerspule einmal
während einer Vierteldrehung stromerregt. Selbstverständlich ist die vom Motor geforderte
Leistung (Drehmoment und geregelte-Drehzahl)' die gleiche wie bei der eigenen Strormquelle.
Die Spannung der fremden Stromquelle ist -
wie allgemein üblich
- erhöht, beispielsweise beträgt sie, wie aus F i g. 4 hervorgeht,
6 V. Die Verlustleistung (12 - R) ist dementsprechend in jeder einzelnen
Ankerspule erhöht, wenn auch zeitlich kürzer. Die Fremdstromquelle wird impulsmäßig
etwa zweifach stärker'beansprucht; sie ist aber ergiebiger, da ihre Kapazität vielfach
größer als die der eingebauten Batteriezellen ist. Die Nutzleistung wird also gemäß,
der Schaltung nach F i g. 4 erreicht, wenn auch die Leistungsbilanz (geringerer
Wirkungsgrad) durch eine ergiebigere Fremdstromquelle gedeckt werden muß. Der Motor
ist so dimensioniert, daß infolge der erhöhten Verlustleistung die zusätzliche Temperatur-#
erhöhung unbedeutend ist.
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Die Erfindung ist also besonders vorteilhaft, wenn die Fremdstromquelle
eine höhere Spannung hat als die Eigenstromquelle. Die sich hieraus ergebendenhöheren
Verluste kann eine derartige Stromquelle, z. B. Kraftwagenbatterie, ohne weiteres
hergebeii. Die Erfindung ist aber auch dann vorteilhaft ' wenn die Spannung
der Fremdstro-mquelle nicht höher ist als die der eigenen Stromquelle, z. B. in
beiden Fällen 6V. Dann sind. zwar die Verluste in beiden Fällen
die
gleichen, jedoch hat die Erfindung immer noch den Vorteil, daß durch die besondere
Schaltung eine Fremdstromquelle ohne Anzapfung benutzt werden kann.