DE1244283B - Buerstenloser Elektromotor mit Mitteln zur Drehzahlregelung und Drehzahlstabilisierung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

G05f

H02k;H02p

Deutsche Kl.: 21 dl-39

Nummer: 1 244 283

Aktenzeichen: H 53675 VIII b/21 dl

Anmeldetag: 31. August 1964

Auslegetag: 13. Juli 1967

Die Erfindung bezieht sich auf einen bürstenlosen Elektromotor mit einem sich in einer vorgegebenen Richtung drehenden Rotor, bei dem den Ankerspulen des Motors in zyklischer Folge rechteckförmige Stromimpulse über einen kontaktfreien Schaltkreis zugeführt werden, der durch ein von einer Einrichtung mit kontaktlosen Schaltelementen erzeugtes Regelsignal steuerbar ist, und bei dem zur Drehzahlregelung und -stabilisierung Mittel zur Änderung der Länge der rechteckförmigen Stromimpulse durch Änderung der Vorspannung der kontaktlosen Schaltelemente vorgesehen sind.

Bei einem bekannten Elektromotor der vorstehend genannten Art wird das Regelsignal durch einen als Ringschaltung ausgebildeten Impulsgeber erzeugt. Die Steuerelektroden der kontaktlosen Schaltelemente dieser das Regelsignal erzeugenden Einrichtung werden in Sperrichtung auf eine bestimmte einstellbare Spannung aufgeladen, wobei die über Widerstände erfolgende Entladung den Zeitpunkt des Leitendwerdens dieser Schaltelemente bestimmt. Durch Veränderung der Sperrspannung läßt sich somit die Drehzahl des Motors in gewissen Grenzen ändern.

Nachteilig ist bei dieser bekannten Ausführung der durch die erforderlichen .RC-Glieder bedingte Aufwand. Ungünstig ist weiterhin, daß der Regelbereich nicht allzu groß ist und daß sich vor allem im Hinblick auf Streukapazitäten Und Nebenwiderstände nur eine sehr begrenzte Regelgenauigkeit erzielen läßt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen in seiner Drehzahl regelbaren bürstenlosen Elektromotor der eingangs genannten Art so auszubilden, daß diese Mängel der bekannten Ausführung vermieden sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das von der Winkelstellung des Rotors abgeleitete Regelsignal Dreieckform besitzt und mit einer konstanten, in ihrer Höhe jedoch einstellbaren Vorspannung umgekehrter Polarität in Reihe geschaltet ist.

Auf diese Weise erhält man mit besonders einfachen schaltungstechnischen Mitteln die Möglichkeit, die Motordrehzahl in weiten Grenzen mit großer Genauigkeit regeln zu können. Es entfallen insbesondere alle mit der Verwendung von i?C-Gliedern verbundenen Nachteile.

Von der Winkelstellung des Rotors abgeleitete Regelsignale zum Steuern des kontaktfreien Schaltkreises von bürstenlosen Elektromotoren sind bekannt.

Einzelheiten der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung einiger in der Zeichnung veranschaulichter Ausführungsbeispiele hervor. Es zeigt

Bürstenloser Elektromotor mit Mitteln zur
Drehzahlregelung und Drehzahlstabilisierung

Anmelder:
Hitachi, Ltd., Tokio

Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Beetz und Dipl.-Ing. K. Lamprecht, Patentanwälte, München 22, Steinsdorfstr. 10

Als Erfinder benannt:
Kazutoshi Ikegami, Tokio

Beanspruchte Priorität:

Japan vom 10. September 1963 (47 821)

Fig. 1 ein Schaltschema eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung,

F i g. 2 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines bürstenlosen erfindungsgemäßen Elektromotors,

F i g. 3 eine graphische Darstellung der verschiedenen, beim erfindungsgemäßen Motor auftretenden Signale,

F i g. 4 die Schaltung der wesentlichen Elemente eines weiteren Ausführungsbeispieles der Erfindung.

Die in F i g. 1 dargestellte Schaltung enthält einen Hochfrequenzoszillator 1 mit einem Transistor TR₁, Widerständen R₁, i?₂, R₃, Kondensatoren C₁, C₂, C₃ und C₄ und stationären Spulen L₁, L₂, eines Transformators T₁. Die Spulen L₁ und L₂ sind elektromagnetisch gekoppelt und bilden einen Schwingkreis des Hartleytyps. Der Transformator T₁ enthält einen ringförmigen stationären EisenkernF₁ (vgl. Fig. 2); die beiden Spulen L₁ und L₂ sind auf diesen Eisenkern gewickelt. Eine dritte Spule L₃ ist gleichfalls auf den Kern F₁ gewickelt und dient zur Phasenunterscheidung. Auf der Rotorwelle K ist ein zweiter Rotorkern F₂ angeordnet, auf den eine vierte Spule L₁ gewickelt ist. Zwischen den beiden Eisenkernen ,F₁ und F₂ ist ein sehr kleiner Luftspalt vorgesehen. Der Ausgang des Oszillatorkreises 1 wird normalerweise in die drehende SpuleL₄ unabhängig von der Drehbewegung des Kernes F₂ induziert. Das in der rotierenden Spule L₄ induzierte hochfrequente Signal wird weiteren rotierenden Spulen L_5a, L₅b, L_sc und L₅^ in einem Detektorteil 2 zugeführt. Die vier rotierenden Spulen L₅^ bis L₅d sind auf vier Pole aufgewickelt, die mit gleichen Abständen auf einem zweiten rotierenden Eisenkern F₃

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angeordnet sind und mit der Welle K rotieren. Auf auf; diese Signale werden durch den jeweiligen

einem zweiten stationären Eisenkern F₄ sind sechs Detektorkreis gleichgerichtet. In dem Kreis des

Pole mit gleichförmigem gegenseitigem Abstand vor- Transistors TR₂ haben beispielsweise die an den

gesehen. Auf die sechs Pole sind Detektorspulen L_6a, Klemmen t_x und t_a auftretenden Detektorspannun-

L₆&, L_7(l, L₇S, L_aa und L₈& aufgewickelt, derart, daß sie 5 gen e_x die in F i g. 3 b dargestellte Dreieckform.

nacheinander mit den rotierenden SpulenL_5a bis L₅<j Diese dreieckförmige Spannung^ ist der Umkehr-

in elektromagnetischer Kopplung stehen. Bei jedem vorspannung eb überlagert; eine Spannung e_x-e\, (wo-

der rotierenden Pole des Eisenkernes F₃ ist die Breite bei e_±>eb) liegt in Durchlaßrichtung zwischen Basis

des Endteiles/ im wesentlichen gleich der des End- und Emitter des Transistors TR₂; die Wellenform der

teiles jedes Pols des stationären Eisenkernes F₄. io Spannunge_x-eb ist in Fig. 3c dargestellt. Der Tran-

Diese Maßnahme ist wesentlich zur Erzeugung des sistor TR₂ ist im Einschaltzustand, wenn die Spannung

dreieckförmigen Regelsignals gemäß der Erfindung. zwischen Basis und Emitter größer als ein vorgegebe-

Was die stationären Detektorspulen anbelangt, so ner Wert B ist; er ist dagegen im Ausschaltzustand, sind die Spulen L_ea und L_eb miteinander in Reihe ge- wenn die erwähnte Spannung unter dem Wert B schaltet. In gleicher Weise sind die Spulen L_ia und £,& 15 liegt. Die rechteckige Wellenform des Ausgangssowie die SpulenL_aa und L₈& miteinander in Reihe stromes ist in Fig. 3d dargestellt. Dieser rechteckgeschaltet. Auf diese Weise werden in jedem Paar der förmige Ausgangsstrom bewirkt, daß der Transistorstationären Detektorspulen die in den beiden Spulen schaltkreis TR₃, TR₁ der Ausgangsstufe den Ankerinduzierten hochfrequenten Signale addiert. Das in wicklungen L_ga, L^ einen rechteckförmigen Erregerjedem Paar der genannten Spule induzierte hoch- 20 strom zuführt. Die Länge D des erwähnten rechteckfrequente Signal e wird in seiner Phase unterschieden förmigen Signals hängt von der Größe der Umkehrdurch ein Diskriminatorsignaled, das normalerweise vorspannung eb ab; die Drehzahl des bürstenlosen in der Diskriminatorspule L₃ erzeugt wird. Das er- Motors kann daher — wie ohne weiteres deutlich sein wähnte hochfrequente Signal e wird als Regelsignal dürfte — durch Einstellung des variablen Widernur dann verwendet, wenn es in Phase mit dem 25 Standes VR₁ geändert werden.

Diskriminatorsignal ed liegt. Wenn sich die rotierenden Erfindungsgemäß kann die Drehzahl eines bürsten-SpulenL_s& und L_s<? in der Lage gemäß Fig. 1 be- losen Elektromotors auf einem vorgegebenen Wert finden, wird das den Spulen L_sa bis L_sa durch die gehalten werden. Zu diesem Zweck wird eine Spanrotierende Spule L₄ zugeführte hochfrequente Signal nung, die der Drehzahl des Motors proportional ist, in die Detektorspulen L_ia und L₇S induziert; wenn 30 dem die Umkehrvorspannung eb erzeugenden Schaltdas in den Spulen L_7ß und L₇& induzierte hoch- kreis zugeführt, so daß die Vorspannung verringert frequente Signal e in Phase mit dem hochfrequenten und die Impulslänge des Ankerstromes vergrößert Signal ed in der Diskriminatorspule L₃ ist, wird die wird, wenn die Drehzahl fällt und umgekehrt. Um Summe dieser beiden Signale einem Detektorkreis zu- eine derartige automatische Stabilisierung der Drehgeführt, der von einer Diode D₂, einem Widerstand R₁ 35 zahl zu erreichen, wird ein Drehzahlmeßkreis X, wie er und einem Kondensator C₆ gebildet wird, und erzeugt beispielsweise in F i g. 4 veranschaulicht ist, in die an den Ausgangsklemmen t_z und t_a eine Detektor- Regelschaltung gemäß F i g. 1 eingefügt,
spannung e₂. Hat sich der Rotor um 30° im Uhrzeiger- Bei der Schaltung gemäß F i g. 4 besitzt das Aussinn gedreht, so kommen die Spulen L₅₀ und L_5C in gangssignal des Transistors TR₈ (vgl. F i g. 1) Rechtelektromagnetische Kopplung mit den SpulenL_m 40 eckform, wie in Fig. 3d veranschaulicht. Dieses und L_e& und es wird an den Klemmen 4 und t_a eine Signal wird einem Transistor TR₁₁ über einen Koppel-Detektorspannung C₁ erzeugt. Hat sich der Rotor um kondensator C₁₀ zugeführt und durch diesen Tranweitere 30° gedreht, so wird in ähnlicher Weise eine sistor verstärkt. Anschließend wird das Signal durch Detektorspannunge_s an den Klemmen t₃ und t_a einen Kondensator C_n und einen Widerständen erzeugt. Anders ausgedrückt, werden somit die Span- 45 differenziert. Diese differenzierten Signale wirken über nungene_l5 e_z und e_a nacheinander in den jeweiligen die Diode D_s und greifen nur die Impulse am ansteigen-Detektorkreisen entsprechend den Winkellagen der den Teil der erwähnten rechteckförmigen Signale rotierenden Welle K erzeugt. heraus, die dann durch einen Kondensator C₁₂ inte-

Das hochfrequente Diskriminatorsignal ed wird griert werden. Das integrierte Ausgangssignal e_e ist nicht nur wie vorstehend erläutert zum Zwecke der 5° dann der Frequenz des rechteckförmigen Ausgangs-Phasemmterseheidung verwendet, sondern dient gleich- signals des Transistors TR₈ bzw. der Drehzahl des zeitig als Umkehryorspannung eb, nachdem es durch bürstenlosen Motors proportional. Dieses integrierte einen Gleichrichterkreis, der von einer Diode D_A, Ausgangssignal e_c wird zwischen Basis und Emitter einem Kondensator C₈ und einem variablen Wider- der Transistoren TR_ä, TR₅ and TjR₂ als Umkehrstand VR₁ gebildet wird, in eine Gleichspannung um- 55 vorspannung gelegt. Wenn sich daher beispielsweise geformt wurde. Die Transistoren 7!R₂, TR₅ und TR_S die Drehzahl vergrößert, so vergrößert sich das intedienen zur Verstärkung der Regelsignale. Die Tran- grierte Ausgangssignal e_e und damit auch die Gegensistoren TR₃ und TR₄, TR_e und TR₇ sowie TR₉ und vorspannung e& des Transistors TR₉. Wie aus F i g. 3 TR₁₀ bilden Transistor-Schaltkreise; R₀ stellt einen hervorgeht, verringert sich dann die Länge des rechtvierpoligen Permanentmagnetrotor dar. Die Anker- 60 eckförmigen Ausgangssignals und damit der mittlere spulen sind mit L_sa, L_s&, L₁₀₁₁, L₁₀^ L₁₁₀ und L_u& be- Erregerstrom in den Ankerspulen L_aa bis L₁₁S, so daß zeichnet. E stellt eine Gleichspannungsquelle dar. Die die Drehzahl des Motors zurückgeht. Auf diese Weise vorstehend erwähnten Transistorkreise sind in einem wird eine automatische Stabilisierung der Drehzahl TeilM des in F ig. 2 dargestellten Motors angeordnet, erreicht. Die Regelvorgänge bei einer Verringerung

Bei dem vorstehend erläuterten bürstenlosen Elek- 65 der Drehzahl dürften nach der vorstehenden Erläute-Iromotor weisen die hochfrequenten Spannungene, rung ohne weiteres klar sein. Die einzuschaltende die in den jeweiligen Detektorspulen L_Ba bis L_8a er- Drehzahl kann durch EinsteEung des variablen Widerzeugt werden, die Wellenformen gemäß Fig. 3a Standes VR₁ vorgegeben werden.

Der Transistor TR₁₁ muß nicht immer Verwendung finden, Um beispielsweise eine Spannung e_c zu erzeugen, die der Drehzahl proportional ist, kann auf dem Permanentmagnetrotor R eine zusätzliche Spule vorgesehen werden; die hierin induzierte Spannung kann dann für die automatische Stabilisierung der Drehzahl verwendet werden.

Die Drehrichtung des bürstenlosen Motors kann durch Betätigung eines Umschalters SW (vgl. F i g. 1) umgekehrt werden.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung werden somit Regelsignale, die der Winkellage des Rotors eines bürstenlosen Elektromotors entsprechen, in Dreieck-, z. B. auch Sägezahnform gleichgerichtet, so daß die Länge eines rechteckförmigen Speisestromes, der den Ankerwicklungen zugeführt wird, durch einfache Änderung der mit dem dreieckförmigen Regelsignal mit umgekehrter Polarität in Reihe liegenden, Konstanten Vorspannung eins Verstärkerkreises geändert werden kann, um auf diese Weise den die Drehzahl bestimmenden mittleren Antriebsstrom zu ändern. Anders ausgedrückt, ist es nicht erf orderlich, irgendwelche zusätzlichen Rechteckwellenerzeugerkreise vorzusehen, um die Regelsignale in Rechtecksignale umzuformen; trotzdem kann die Drehzahl des bürstenlosen Motors mit einer sehr vereinfachten Regelschaltung durch Regelung der Länge rechteckiger Signale geändert werden. Da ferner die Schaltelemente (Transistoren TR₁₁, TR₇, TR₁₀ in F i g. 1) für die Ankerspulen nur abwechselnd in eine Einschalt- und Ausschaltlage gebracht werden, gibt es praktisch keine Leistungsverluste, was zu einem sehr hohen Wirkungsgrad der Drehzahlregelung führt.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele; es sind vielmehr zahlreiche Änderungen möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise können die Regelsignale Sägezahnform an Stelle der dargestellten Dreieckform aufweisen. Was ferner die Regelsignale anbelangt, so wurden bei den erläuterten Ausführungsbeispielen hochfrequente Signale als Hilfssignale verwendet; wenn jedoch die Regelsignale in an sich bei bürstenlosen Motoren bekannter Weise durch Messung des Permanentmagnetrotorflusses mit Hilfe eines Hall-Effekt-Elementes erzeugt werden, so können die Endteile der Rotormagnetpole geeignet geformt werden, um die Wellenform des Hall-Element-Ausgangssignals dreieckig, z. B. sägezahnartig zu gestalten. Das Regelsignal kann ferner in ebenfalls bekannter Weise durch Ausnutzung von Licht erzeugt werden. In diesem Falle läßt sich die Dreieck-, z. B. Sägezahnform des Regelsignales leicht durch Verwendung eines Lichtschlitzes geeigneter Form erzielen.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Bürstenloser Elektromotor mit einem sich in einer vorgegebenen Richtung drehenden Rotor, bei dem den Ankerspulen des Motors in zyklischer Folge rechteckförmige Stromimpulse über einen kontaktfreien Schaltkreis zugeführt werden, der durch ein von einer Einrichtung mit kontaktlosen Schaltelementen erzeugtes Regelsignal steuerbar ist, und bei dem zurDrehzahlregelung und -stabilisierung Mittel zur Änderung der Länge der rechteckförmigen Stromimpulse durch Änderung der Vorspannung der kontaktlosen Schaltelemente vorgesehen sind, dadurchgekennzeichnet, daß das von der Winkelstellung des Rotors abgeleitete Regelsignal (z. B. ^₁) Dreieckform besitzt und mit einer konstanten, in ihrer Höhe jedoch einstellbaren Vorspannung (e&) umgekehrter Polarität in Reihe geschaltet ist.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Deutsche Auslegeschrift Nr. 1105 045;
   französische Patentschriften Nr. 1320 563,1 336 144; USA.-Patentschrift Nr. 2 980 839;
   Electrical Engineering, November 1962, S. 879 bis 884.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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