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Gleichstrommotor mit einem mit ausgeprägten Polen versehenen weichmagnetischen
Läufer oder mit einem dauermagnetischen Läufer Die Erfindung bezieht sich auf Gleichstrommotoren
ohne mechanischen Kommutator. Der mechanische Kommutator stellt bei Gleichstrommotoren
eine ständige Fehlerquelle dar, da insbesondere bei längerem Stillstand sich auf
den Kommutatorlamellen eine Oxydationsschicht bildet, welche den Anlauf des Motors
verhindert. Um diese Fehlerquelle zu vermeiden, wird der mechanische Kommutator
durch elektronische Elemente ersetzt.
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Es ist ein Gleichstrommotor bekanntgeworden, bei welchem die Antriebswicklung
-über einen Transistor gespeist wird. Die Stromdurchlässigkeit des Transistors wird
dabei in Abhängigkeit von der Läuferstellung periodisch von einem Osziflator gesteuert,
welcher über ein Rückkopplungssystem durch ein abschirmendes Element, das mit der
Welle des Motors umläuft und die induktive Kopplung zwischen zwei feststehenden,
auf magnetisch leitenden Körpern angeordneten Spulen ändert, in seiner Schwingamplitude
beeinflußt wird. Ein derartiger Motor läuft nur aus einer ganz bestimmten, genau
definierten Stellung heraus an und weist auch kein über den ganzen Umfang bestehendes
weitgehend gleichmäßiges Drehmoment auf. Der Läufer dieses Motors erhält pro Umdrehung
lediglich einen Antriebsimpuls, so daß er eine dauernde, jedoch keine kontinuierliche
Drehbewegung ausführt. Derartige Anordnungen sind insbesondere zumAntrieb von Uhren
geeignet.
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Ein anderer bekannter Gleichstrommotor ohne mechanischen Kommutator
weist im Ständer mehrere Spulen auf, welche über je einen Transistor gespeist
werden. Die Stromdurchlässigkeit der Transistoren wird vom dauermagnetischen Läufer
bzw. von einem mit dem Läufer uinlaufenden Dauermagneten, in Ab-
hängigkeit
von der Läuferstellung in Verbindung mit der Rotation des Läufers gesteuert. Dieser
Motor läuft nichtvon allein an, sondern der Läufer muß erst von außen in Drehung
versetzt werden. Das Selbstanlaufen solcher Motoren wird mit Hilfsmitteln zum Anhalten
des Läufers in einer geeigneten Anlaufsteffung in Verbindung mit einer vorübergehenden
Steuerung eines Transistors in den leitenden Zustand ermöglicht. Es ist ferner ein
über einen Transistor-Schwingungserzeuger, insbesondere in Gegentaktschaltung betriebender
Motor mit zwei Arbeits- und Rückkopplungsspulen und permanentmagnetischem Läufer
bekannt, dessen Anlauf durch einen in den Arbeitsspulen langsame Stromschwingungen
erzeugenden ersten Rückkopplungszweig bewirkt und dessen Drehrichtung und Drehzahl
durch einen zweiten drehzahl- und drehrichtungsabhängigen Rückkopplungszweig in
Verbindung mit einer Synchronisierungseinrichtung bestimmt wird. Mit in Gegentaktschaltungen
betriebenen Motoren solcher Art wird in der Regel ein Drehmoment über einen Winkel
von etwas unter 2 - 1800
erreicht.
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Durch die Erfindung wird ein Motor angegeben, welcher entsprechend
dem klassischen Gleichstrommotor mit mechanischem Kommutator aus jeder Stellung
heraus anläuft und ein über den ganzen Umfang bestehendes, weitgehend gleichmäßiges
Drehmoment aufweist. Der Gleichstrommotor mit einem mit ausgeprägten Polen versehenen
weichmagnetischen Läufer oder mit einem dauermagnetischen Läufer und mit einer Ständerwicklung,
deren Strom über Speisetransistoren durch ein Rückkopplungssystem gesteuert wird,
indem ein mit dem Läufer fest verbundenes Bauteil durch induktive Kopplungsänderung
zwischen zwei feststehenden, auf magnetisch leitenden Körpern angeordneten Spulen
die Stromdurchlässigkeit der Speisetransistoren in Abhängigkeit von der Läuferstellung
periodisch bestimmt, hat erfindungsgemäß das Kennzeichen, daß der Ständer drei in
Umfangsrichtung um 1201 gegeneinander versetzte Spulen aufweist und jeder Ständerspule
ein Speisetransistor mit eigenem Rückkopplungssystem zugeordnet ist und daß das
die induktive Kopplung verändernde Bauteil in jeder Läuferstellung den Speisetransistor
mindestens einer Ständerspule über das zugehörige Rückkopplungssystem in den leitenden
Zustand steuert.
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Es ist schon ein Motor bekanntgeworden, dessen Ständer mit drei Wicklungen
versehen ist. Jede dieser Wicklungen wird über vier Halbleiterelemente gespeist,
von denen je zwei entgegengesetzt gepolt sind. über ein mit dem Läufer des
Motors umlaufendes Steuerteil werden die Halbleiterelemente gesteuert. Die Anordnung
ist so getroffen, daß der Motor aus jeder Stellung anläuft. Es werden jedoch, wie
schon
erwähnt, pro Strang der Wicklung vier - Halbleiterelemente
benötigt, für den gesamten Motor also zwölf. Im Gegensatz dazu werden beim Motor
nach der Erfindung nur drei Halbleiterelemente benötigt. wodurch der gesamte Aufbau
des Motors wesentlich einfacher und billiger wird.
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Ein weiterer -schon bekannter Motor mit Dauermagnetläufer weist ebenfalls
drei im Ständer- um 120' gegeneinander versetzte Spulen auf, -welche über Röhren
gespeist werden. Die Stromdurchfässigkeit dieser Röhren wird über Hall-Sonden gesteuert,
welche ihrerseits von einem zweipoligen, mit dem Läufer des Motors umlaufenden Dauermagneten
beaufschlagt werden.-Der Motor läuft zWar am jeder Stellung -an. Der Einsatz der
Hall-Sonden macht aber den Aufbau des #Motors kompliziert und teuer. Außerdem wird
die - Stromrichtung in den Hall-Sonden durch den zweipoligen -Dauermagneten
pro Läuferumdrehung zweimal umgekehrt, so daß der Fall eintreten kann, daß das-
Gitter der zu einer Hall-Sonde gehörenden Röhre durch die Hall-Sonde eine solche
Polarität erhält, daß die Röhre in dem Moment stromundurchlässig wird, in welchem
sie gerade den Strom für die entsprechende Ständerspule durchlassen muß.
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_-Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt.
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F i g. 1 zeigt den perspektivischen -Aufbau des Motors, während
in F i g. - 2 -d ä-s- - elAtrische - Schaltbild
- des- - Motors wiedergegeben ist; F i g. 3 zeigt ein anderes
elektrisches Schaltbild, je-
doch nur iür-em*e Ständerspule.
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Mit 1 ist der Läufer des Motors bezeichnet, welcher auf der
Welle 2 angebracht ist. Auf dem Läufer sitzt das die induktive Kopplung verändernde
Bauelement 3, welches -an der Stelle 4 drehbar gelagert ist. Das der
Lagerstelle abgewandte Ende dieses Eleinents wird unter der Wirkung der Feder
5 gegen ,einen nicht dargestellten Anschlag in Richtung Rotorachse gezogen
und so in seiner Position gehalten wird. Im Ständer. 6 des Motors sind die
Ständerspulen 7, 8
und 9 vorgesehen, welche auf den Polen
10, 11 und 12 -sitzen. über den fest am Ständer 6 angebrachten
Ausleger 13 wird der Polkern 14 gehalten. Auf den Polen des ' Polkernes
sind die Schwingkreisspulen 15,
16 und 17 sowie die Rückkopplungsspulen
18, 19 und 20 angebracht.
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Die Wirkungsweise des. Motors nach der Erfindung ist folgende:
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Durch Schließen des Schalters 21 wird der Motor an die Batterie 22 gelegt.
Wenn eine der Ständerspulen von Strom durchflossen wird, kann der Motor demnach
ein Drehmoment erzeugen und der Läufer beginnt sich zu drehen. Dieser Läufer kann
dauermagnetisch ausgebildet sein, er kann aber auch als weichmagnetischer Läufer
mit ausgeprägten Polen jaufgebaut sein. Die in F i g. 2 angegebenen Transistoren
23, 24 und 25 dienen einerseits zur Speisung der Ständerspulen
7, 8 und 9 und bilden andererseits mit den Schwingkreisspulen
15, 16 und 17 sowie den Rückkopplungsspulen 18, 19 und 20
je einen in Rückkopplungsschaltung schwingenden Oszillator. Durch Schließen
des Schalters 21 sind diese Oszillatoren erregt. Die Kopplung zwischen Rückkopplungsspulen
und Schwingkreisspulen erfolgt durch das fliehkraftabhängige Element 3, welches
in der in F i g. 1 dargestellten Lage gerade die Kopplung zwischen den Spulen
15 und 18 herstellt. Die Spuleninduktivität bildet zusammen mit den
Transistorkapazitäten einen. Resonanzkreis, d.h., es entsteht eine Überhöhung des
Scheinwiderstandes für eine bestimmte Frequenz. Größere Induktivität bedeutet erhöhten
Scheinwiderstand im Resonanzbereich. Außerdem sinkt die Resonanzfrequenz damit auf
einen Bereich, in dem ein NF-Transistor noch gut verstärkt. Schließlich bringt der
verbesserte Kraftfluß noch eine festere Verkopplung zwischen Schwingkreisspulen
und Rückkopplungsspulen. Die genannten Faktoren bestimmen zusammen den Schwingungseinsatz.
Befindet das Element 3 sich nicht vor den Polen, so verschlechtert sich die
Kopplung zwischen den beiden Spulen und die Resonanzfrequenz wird so hoch, daß sie
wesentlich über der oberen Grenzfrequenz des Transistors liegt. Es ist dann.. kein
Schwingungseinsatz möglich. Der Schwingungseinsatz hängt also von der Lage des Elements
3 gegenüber dem Polkern 14 ab.
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. Da§ Element 3 hat in Umfangsrichtung eine solche Ausdehnung,
daß es kurzzeitig je zwei Spulenpaare der Rückkopplungs- und Schwingkreisspulen
koppelt. Diese überlapppng ist erforderlich, um den Anlauf aus jeder Stellung des
Läufers zu garantieren. In der dargestellten Lage werden also die beiden Spulen
15
und 18 miteinander gekoppelt, und der zugehörige Transistor
23 wird stromdurchlässig. Dementsprechend erhält die Ständerspule
7 Strom und kann ein Drehmoment erzeugen, wodurch der Läufer 1 mit
aem Element 3 gedreht und dadurch die Kopplung zwischen den Spulen
16 und 19 hergestellt wird. Dadurch wird der Transistor 24 stromdurchlässig,
und die Spule 8 erhält Strom, während- gleichzeitig der Transistor
23 wieder stromundurchlässig wird. Auf diese Weise wird jeweils einer der
Transistoren 23,24 und 25 stromdurchlässig gemacht, während die beiden anderen
Tran - sistoren gesperrt bleiben, Der Motor erhöht so seine Drehzahl bis
zu einer bestimmten Ansprechdrehzahl, bei.welcher das fliehkraftabhängige Element
3 entgegen der Wirkung der Feder 5 radial von der Welle fortbewegt
wird. Es wird dadurch der Luftspalt zwischen den Rückkopplungs- und Schwingkreisspulen
vergrößert, so daß die Oszillatoren ihre Schwingamplitude verkleinern und die Ständertransistoren
nicht mehr voll durchgeschaltet werden. Die Folge ist, daß die Ständerspulen nicht
mehr den vollen Strom erhalten und dadurch die Drehzahl des Motors sinkt. Auf diese
Weise kann die Drehzahl auf einen gewünschten Wert sehr genau eingeregelt werden.
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Das fliehkraftabhängige Element 3 besteht aus magnetisch leitendem
verlustarmem und nicht dauermagnetischem Material. Es wird durch die Feder
5 an einen Anschlag gezogen, wodurch der Luftspalt zum Polkern 14 genau eingestellt
wird.
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Ein anderes Mittel zur kontaktlosen Steuerung des Schwingungseinsatzes
ist durch teilweise Entkopplung bzw. Dämpfung eines schwingungsfähigen Rückkopplungssystems
gegeben. Zu diesem Zweck müssen je-
weils die Schwingkreisspulen
15, 16 und 17 und die Rückkopplungsspulen 18, 19, 20 durch
einen kleinen Luftweg zwischen den Polen einen guten magnetischen Kraftfluß haben
und in diesem Betriebszustand den Schwingungseinsatz ermöglichen. Wird in den verbleibenden
Luftspalt eine Folie aus elektrisch gut leitendem Metall gebracht, dann setzt die
dadurch entstehende Dämpfung die Kopplung zwischen den Spulen 15, 16, 17
und 18, 19, 20 und ihre
Induktivität herab. Bei einer geeigneten
Bemessung der Teile ist in diesem Zustand kein Schwingungseinsatz mehr möglich.
Dämpfungssegmente entsprechender Bogenlänge, die mit dem Rotor umlaufen, lassen
die Statorspulen immer dann stromlos werden, wenn sich das Dämpfungssegment im Luftspalt
des Rückkopplungssystems befindet. Wenn der Polkern so ausgebildet wird, daß der
Luftspalt in der Rotationsebene verläuft, kann das den Schwingungseinsatz steuernde
Dämpfungssegment auch zur Drehzahlregelung herangezogen werden. Es muß dann durch
die Fliehkraft schwenkbar sein und in dieser Lage über den ganzen Drehwinkel des
Rotors in den Luftspalt des Rückkopplungssystems durchlaufen. Am Außenrand des Segments
müssen sich Aussparungen befinden, die dann den Luftspalt freilassen, wenn das Segment
innerhalb der Drehzahlgrenze nicht von der Fliehkraft abgelenkt wird und in Abhängigkeit
von der Rotorstellung die Rückkopplungsschwingung wieder einsetzen soll. Eine derartige
Regeleinrichtung hat den Vorteil einer sehr geringen schwingenden Masse, denn die
Metallfolie für das Dämpfungs.-segment braucht bei Verwendung von Kupfer der genannten
hohen Rückkopplungsfrequenz nicht dicker als 0,2 bis 0,3 mm zu sein.
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Die Widerstände 29, 30 und 31 haben den Zweck, den Aufbau
einer negativen Basisspannung zu erleichtem. Die Widerstände 32, 33 und 34
stellen eine Vorspannung bei kleinen Betriebsspannungen ein, bei denen der Ruhestrom
des Transistors sonst unter dem Ansprechwert liegen würde. Bei höheren Betriebsspannungen
können sie entfallen. Die Kondensatoren 26, 27 und 28 führen die hohe
Rückkopplungsfrequenz an den Statorspulen 7, 8 und 9 vorbei. Bei genügend
großer Kapazität beruhigen sie den Motorlauf.
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Der Kollektorstrom eines schwingenden Transistors kann gegenüber dem
nichtschwingenden Zustand den dreißigfachen Wert oder mehr erreichen. Eine Durchsteuerung
bis zum Kniepunkt während der ganzen Einschaltzeit läßt jedoch der schwingende Transistor
nicht zu. Deshalb erreicht der Kollektorstrom in dieser Betriebsart nicht die Größe,
die für den Transistor zulässig und wegen der Verringerung des Restwiderstandes
günstig wäre. Die Verluste sind unwesentlich, wenn die Transistorleistung groß gegenüber
der verlangten Motorleistung ist. Anderenfalls wird eine Schaltung mit geringem
Restwiderstand durch den rückkopplungsgesteuerten Transistoren 23, 24 und
25
folgende Schalttransistoren 35 entsprechend F i g. 3
erreicht.