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Schnellaufender gleichstromgespeister Kleinstmotor mit permanentmagnetischem
Rotor und elektronischer Kommutierungseinriehtung Für verschiedene Spezialzwecke,
beispielsweise für die Anwendung im Handstück einer zahnärztlichen Bohreinrichtung,
werden schnellaufende Kleinstmotoren mit einem Drehzahlbereich von 50 000 bis 200
000 U/min benötigt, die die Eigenschaften eines Gleichstromnebenschlußmotors aufweisen
sollen. Es werden daher einstellbare Drehzahl bei umkehrbarer Drehrichtung, drehzahlunabhängiges
Moment und rasche Abbremsung verlangt.
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Bei Motoren mit solch hohen Drehzahlen sind die üblichen Kupfer-Kohle-Kommutatoren
nachteilig. Es ist bereits bekannt, für Kommutierungszwecke galvanomagnetische Effekte
auszunutzen. Man kann beispielsweise im Bereich eines permanentmagnetischen Rotors
einen Hallspannungserzeuger anordnen, dessen Hallspannung eine elektronische Kommutierungseinrichtung
steuert.
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Ein Hallspannungserzeuger erfordert jedoch vier Zuleitungen, die unter
Umständen konstruktiv nicht unterzubringen sind. Ferner ist beim Hallspannungserzenger
im Gegensatz zum magnetfeldabhängigen Widerstand die Hallspannung der Induktion
proportional. Während diese Eigenschaft normalerweise erwünscht ist und beim magnetfeldabhängigen
Widerstand sehr vermißt wird, führt sie im vorliegenden Fall zu betrieblichen Schwierigkeiten.
In den Kleinstmotoren liegt nämlich ein relativ hoher Streuwert der Induktion vor,
wenn man den quermagnetisierten, zylindrischen Rotor auch zur Kommutierung heranzieht,
so daß die Induktionsänderung zwischen dem Ruhe- und dem erregten Zustand eines
Hallspannungserzeugers und damit seine Hallspannungsänderung verhältnismäßig klein
sind. Dadurch ergeben sich unscharfe Kommutierungspunkte.
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Ein magnetfeldabhängiger Widerstand hat dagegen eine nichtlineare
Widerstandskennlinie über der Induktion. Es sei hierzu auf F i g. 2a der Zeichnung
verwiesen, die das Verhältnis von Momentanwiderstand R und Ruhewiderstand R, über
der Induktion B darstellt. Bei kleinen Induktionen ändert sich der Widerstand nur
unmerklich, bis man bei größeren Induktionen in den steil ansteigenden Kennlinienteil
gelangt. Eine derartige Kennlinie ist zur Verbesserung der Kommutierung von Vorteil.
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Im Gegensatz zum Hallspannungserzeuger kann jedoch der magnetfeldabhängige
Widerstand diePolarität seiner Ausgangsgröße nicht umkehren. Zur Drehrichtungsumkehr
eines Motors, der über magnetfeldabhängige Widerstände kommutiert wird, sind daher
spezielle Schaltmaßnahmen erforderlich.
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Es ist bekannt, zur Steuerung der in Reihe mit den Ständerwicklungen
liegenden Schaltelemente in Abhängigkeit von der Polradlage mit der Polradwelle
eine Steuereinrichtung zu kuppeln, welche einen mit der Polradwelle umlaufenden
Magneten enthält, der von einem feststehenden - Rückschlußteil umgeben ist, welcher
mit einer der Anzahl der Ständerphasen entsprechenden Anzahl von Polpaaren versehen
ist. Unter diesen Polpaaren liegen die den einzelnen Wicklungsenden zugeordneten
Schaltelemente, die durch den umlaufenden Magneten derart gesteuert werden, daß
ein umlaufendes Ständerdrehfeld entsteht. Diese bekannte Steuereinrichtung ist sehr
aufwendig.
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Ferner ist es bei Uhrenantrieben bekannt, zur Steuerung einen magnetfeldabhängigen
Widerstand zu verwenden, der im Stromkreis einer Triebspule liegt und von einem
schwingenden, der Unruhe der Uhr entsprechenden Magnetstab gesteuert wird.
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Die Erfindung bezieht sich auf einen schnellaufenden gleichströmgespeisten
Kleinstmotor mit permanentmagnetischem Rotor und elektronischer Kommutierungseinrichtung,
die mittels vom Magnetfeld des Rotors in den steilen Ast ihrer Widerstandskennlinie
aussteuerbarer magnetfeldabhängiger Widerstände gesteuert ist und räumlich gegeneinander
versetzte Statorwicklungen zyklisch mit Stromimpulsen beaufschlagt. Der Erfindung
liegt hierbei die Aufgabe zugrunde; die Steuerung für den Motor zu verbessern und
zu vereinfachen. Das wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß zwei magnetfeldabhängige
Widerstände um 90° e1. versetzt im Bereich des Rotors angeordnet und mit zwei normalen
Widerständen zu einer gleichstromgespeisten Brücke verbunden sind und daß die alternierende
Ausgangsspannung der Brücke zur Steuerung der elektronischen Kommutierungseinrichtung
dient.
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Die magnetfeldabhängigen Widerstände können zur weiteren Verbesserung
der Kommutierung auf ausgeprägte Polschuhe aufgesetzt werden. Als magnetfeldabhängige
Widerstände
eignen sich insbesondere die sogenannten Feldscheiben oder Corbinoscheiben, bei
denen es sich um runde Plättchen handelt, deren Elektroden im Mittelpunkt bzw. am
Umfang angeordnet sind. Der Rotor kann vorteilhaft ein radial magnetisierter Zylinder
sein. Selbstverständlich ist die Erfindung auch dann anwendbar, wenn der Rotor mit
Gleichstromerregung versehen ist. Doch ist eine permanentmagnetische Erregung besonders
für sehr große Drehzahlen von Vorteil.
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Zur Drehrichtungsumkehr des Motors wird die Brückenspeisespannung
umgepolt. Dadurch wird erreicht, daß die elektronische Kommutierungseinrichtung
die Statorwicklungen des Motors nunmehr in der umgekehrten Reihenfolge einschaltet.
Vorteilhaft wird der Stator mit vier um 90° versetzten Wicklungen versehen.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung sei im folgenden ein Ausführungsbeispiel
beschrieben, das in der Zeichnung schematisch dargestellt ist.
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Zunächst zeigt F i g. 1 in perspektivischer Ansicht eine Möglichkeit
zur Anordnung der- Feldscheiben im. Bereich des permanentmagnetischen Rotors 1,
dem vier Statorwicklungen 2 zugeordnet sind. Den konstruktiven Aufbau des Stators
und die Unterbringung der Wicklungen kann man je nach den gegebenen Platzverhältnissen
beliebig wählen.
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Im Bereich des Rotors ist ein ferromägnetischer Ring 3 mit ausgeprägten
Polschuhen 4 angeordnet, auf denen Feldscheiben 5 derart befestigt sind, daß das
Magnetfeld des Rotors durch die Feldscheiben tritt und sich über den Ring 3 zum
anderen Pol schließt. Der Luftspalt zwischen den Polen 4 und dem Rotor 1
ist der Anschaulichkeit halber übertrieben breit dargestellt.
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Die beiden Feldscheiben sind in Reihe geschaltet und liegen parallel
zu zwei normalen Widerständen 6, deren Widerstandswert dem Grundwiderstand R, der
Feldscheiben entspricht. Die so gebildete Brücke wird an den Klemmen 7 und
8 mit Gleichstrom gespeist, während die Ausgangsspannung an den Klemmen Al
und AZ zur Verfügung steht. Beim Lauf des Rotors 1
entsteht eine alternierende
Spannung, deren Amplitude etwa ein Sechstel der Speisespannung der Brücke beträgt:
Bezeichnet man die Rotorstellung, bei der ein Pol einer Feldscheibe genau gegenübersteht,
mit 990, so ergibt sich der aus F i g. 2 ersichtliche Induktionsverlauf bei Drehung
des Rotors in der einen oder anderen Richtung. Infolge der Streuung erhält man einen
Induktionsruhewert B8, dem gemäß F i g. 2a eine nur unbedeutende Änderung des Widerstandes
der Feldscheiben entspricht. Aus dem Vergleich der F i g. 2a und 2b erkennt man,
daß durch die nichtlineare Kennlinie des magnetfeldabhängigen Widerstandes die Kommutierung
(bei der Induktion Bk) relativ scharf einstellbar ist. Ein Blockschaltbild des Motors
mit der elektronischen Kommutierungseinrichtung zeigt F i g. 3, bei der teilweise
die Bezugszeichen aus F i g. 1 übernommen worden sind. Die Speisespannung der Brücke
wird von einer Gleichstromquelle 10 geliefert, die mit Hilfe eines Schalters 9 zur
Drehrichtungsumkehr umgepolt werden kann. Die Ausgangsspannung der Brücke wird an
die Eingangsklemmen Elan und E2m einer bistabilen Kippstufe M angeschlossen. Der
eine Ausgang A 0M wird an den Eingang ER eines Registers R sowie an die Eingänge
11 und 31 von Undgattern X,, X3 gelegt. An den komplementären Ausgang
Alm der Kippstufe M werden die Eingänge 21 und 41 von Undgattern X2,
X4 angeschlossen.
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Die anderen Eingänge 12, 22 bzw. 32, 42 der Undgatter erhalten Signale
vom Ausgang AOR bzw. vom komplementären Ausgang
A 1R des Registers
R. Die Ausgänge Axl, AxE, Ax3 und Ax4 der Undgatter werden an die Eingänge
EPl, EP2, EP3 und EP4 von Endverstärkern P1, P2, P3 und P4 gelegt, an deren Ausgänge
APl, AP2, AP3 und AP4 die Ständerwicklungen 2 angeschlossen sind. Es ergibt sich
für eine Drehrichtung folgendes Diagramm der Schaltzustände der Kommutierungseinrichtung:
| Dreh- M R P |
| winkel |
| A 0 I A 1 |
| All A 1 |
| 1 2 I 3 4 |
| 90° L 0 L 0 ' L 0 0 Ö |
| 1800 0 L L 0 0 L 00 |
| 2700 L 0 0 L 0 0 L 0 |
| 3600 0 L 0 L 00 0 L |
Bei Umpolung der Gleichspannung
10 werden die Ständerwicklungen 2 in umgekehrter
Folge eing> schaltet. -Beim Einschalten des Motors mit vorgewählter Drehrichtung
kann es vorkommen, daß der Rotor zunächst eine kurze Drehung im falschen Sinne ausführt,
bis die Ausgangsspannung der Brücke die Kommutierungseinrichtung in den gewünschten
Umlaufsinn einsteuert. Dieser kurze Gegenruck ist jedoch praktisch ohne Bedeutung
und kaum merkbar.
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Schaltbeispiele für die einzelnen Stufen der Kommutierungseinrichtung
nach F i g. 3 sind in den F i g. 4, 5 und 6 dargestellt.
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Die bistabile Kippstufe M kann nach F i g. 4 aus= gebildet sein. Sie
enthält zwei Transistoren 101, 102
mit Kollektorwiderständen 103 und
104. Die Basiselektroden der Transistoren sind an Spannungsteiler aus Widerständen
105,106 bzw.107und 108 angeschlossen und erhalten Eingangssignale
über Eingangswiderstände 109, 110. Die Ausgangsspannung der Kippstufe steht
an den Kollektorelektroden der Transistoren zur Verfügung.
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Das Register R kann nach F i g. 5 zwei Transistoren 121, 122 mit Kollektorwiderständen
123, 124 enthalten. Die Basiselektroden der Transistoren sind an Spannungsteiler
angeschlossen, die aus einem RC-Glied 125, 126 bzw. 128, 129 und einem Widerstand
127 bzw. 130 bestehen. Die Eingangssignale werden über Dioden 137, 138 und
Widerstände 131,
133 mit den Kollektorelektroden der Transistoren verbunden,
während von den Dioden Kondensatoren 132
bzw. 134 an die Basiselektroden
geführt sind. Parallel zur Basisemitterstrecke der Transistoren können Widerstände
135, 136 vorgesehen sein.
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Undgatter und Endverstärker sind in F i g. 6 dargestellt und in der
Kommutierungseinrichtung viermal vorhanden. Das Undgatter besteht aus Dioden
142
und 143 im Eingang sowie einem Widerstand 141,
einer Diode
144 und einem Widerstand 146. Das Ausgangssignal des Undgatters wird
über einen Widerstand 145 einem zweistufigen Transistorverstärker aus Transistoren
147 und 149 in Kollektorverbundbetrieb zugeführt, dessen erster Transistor mit einem
Emittexwiderstand148 versehen ist. Im gemeinsamen Kollektor kreis liegt die Ständerwicklung
2.
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Es ist einleuchtend, daß die Kommutierungseinrichtung auch auf andere
Weise realisiert werden kann.
Insbesondere sind in den Endverstärkern
statt Transistoren auch Halbleiterstromtore anwendbar, wenn man für geeignete bekannte
Löschschaltungen sorgt.
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Soll der Motor im Handstück einer Zahnbohreinrichtung untergebracht
werden, so ordnet man zweckmäßig die nicht magnetfeldabhängigen Widerstände 6 der
Brücke und die Kommutierungseinrichtung in einem Steuergerät an. Für die Verbindung
mit den magnetfeldabhängigen Widerständen 5 benötigt man dann, wie aus F i g. 3
ersichtlich, nur drei elektrische Leitungen.