-
Mit Halleffekt arbeitender Gleichstrommotor Die Erfindung bezieht
sich auf einen. Gleichstrommotor mit zwei Ständern und zwei um eine WinkelsteRung
gegeneinander versetzten permanentmagnetischen Läufern, bei dem der erste Ständer
zwei an seinem Umfang um 90' gegeneinander versetzt angeordnete Hallsonden
enthält die Spannungen abgeben, welche von der WinkelstelIung des diesem Ständer
zugeordneten permanentmagnetischen Läufers abhängen, und bei dem der zweite Ständer
zwei um 90, gegeneinander versetzt angeordnete Wicklungen enthält, denen
Spannungen zugeführt werden, welche von der einen bzw. der anderen der von den Hallsonden
abgegebenen Spannungen abhängen, sowie eine Einrichtung vorgesehen ist, welche den
Läufer des ersten Ständers in bezug auf den Läufer des zweiten Ständers derart nachstellt,
daß der Winkelabstand zwischen Aden beiden Läufern jeweils konstant bleibt.
-
Bei bekannten Gleichstrommotoren dieser Art dienen die von den Hallsonden
abgegebenen Spannungen beim überschreiten eines bestimmten Schwellwerts zum Zünden
von elektronischen Schaltern, wie Thyratrons oder Transistoren. Da der zweite Ständer
zwei im rechten Winkel zueinander angeordnete Wicklungen enthält, sind im ersten
Ständer vier Hallsonden enthalten, von denen jede einen elektronischen Schalter
zündet, wenn der zugeordnete Läufer eine entsprechende Winkelstellung erreicht hat,
während der zuvor gezündete Schalter gleichzeitig gelöscht wird. Der erste Schalter
läßt einen Gleichstrom in der einen Richtung durch die erste Wicklung fließen, der
zweite Schalter einen Gleichstrom in der gleichen Richtung durch die zweite Wicklung,
der dritte Schalter einen Gleichstrom in der entgegengesetzten Richtung durch die
erste Wicklung und der vierte Schalter einen Gleichstrom in dieser Richtung durch
die zweite Wicklung. Jede Wicklung erzeugt während der Dauer ihrer Erregung ein
konstantes Magnetfeld von fester Richtungi und bei jeder Umschaltung springt das
Magnetfeld um 901. Der dem zweiten Ständer zugeordnete Läufer sucht diesem
springenden Magnetfeld zu folgen, wobei infolge der vorhandenen Massenträgheiten
eine kontinuierliche Drehung zustande kommt.
-
Die Form der von den Hallsonden abgegebenen Spannungen ist dabei ohne
besondere Bedeutung; es kommt lediglich darauf an, daß diese Spannungen bei
einer bestimmten Winkelstellung des zugeordneten Läufers den zum Zünden des elektronischen
Schalters erforderlichen Schwellwert übersteigen. Es ist zwar bei über Halbleiter
gespeisten Motoren an sich bekannt, die Halbleiter mittels eines sinusförmig magnetisierten
Körpers auszusteuern ' doch würde diese Maßnahme bei den zuvor geschilderten
bekannten Gleichstrommotoren keine Verbesserung ergeben.
-
Ein wesentlicher Nachteil dieser bekannten Gleichstrommotoren ist
das ungleichförmige Drehmoment. Vor allem ist das Anlaufdrehmoment von der zufälligen
Stellung des Läufers in bezug auf die feste Richtung des gerade erzeugten Magnetfelds
abhän-gig. Aus dem gleichen Grund ist es schwierig, das Drehmoment anders
als durchVeränderung des über die Wicklungen fließenden Gleichstroms zu steuern.
-
Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Gleichstrommotors der
eingangs angegebenen Art. dessen Drehmoment mit einer durch die Winkelverstellung
bestimmten Größe stets konstant ist und auch beim Anlaufen stets diesen konstantenWert
hat.
-
Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die Polschuhe des
dem ersten Ständer zugeordneten Läufers derart geformt sind, daß die von den Hallsonden
abgegebenen Spannungen dem Sinus bzw. dem Cosinus der Winkelstellung dieses Läufers
proportional sind und daß die den Wicklungendes zweitenStänders zugeführten Spannungen
den -#on den Hallsonden abgegebenen Spannungen proportional sind.
Bei
dem Gleichstromm tor nach der Erfindung entsteht das Magnetfeld durch als Resultierende
der von den beiden Wicklungen erzeugten, sich sinus-., ändernden Einzelfelder. förmig
bzw. cosinusförmig Dieses resultierende Magnetfeld, das in an sich bekannter Weise
mittels zwei um 90' el räumlich gegeneinander versetzten Wicklungen erzeugt
wird, die mit um 90' el gegeneinander phasenverschobeneu Strömen beaufschlagt
sind, ist konstant und dreht sich mit der Drehzahl des Läufers, wobei es stets die
gleiche Winkelstelhing relativ zur Polachse des Läufers beibehält. Das vom Motor
erzeugte, Drehmoment ist also stets konstant, selbst im Augenblick des Anlaufens,
und nur von der Winkelstellung abhängig.
-
Der erfindungsgemäße, Motor ergibt ferner einen einfachen Aufbau der
erforderlichen elektronischen Schaltung, weil zwischen; den Hallsonden und den Wicklungen
nur einfache Verstärker erforderlich sind.
-
Vor allem aber ergibt sich die vorteilhafte Mög-
lichkeit, die
Größe des Drehmoments durch Änderung der Winkelstellung zu steuern. Das Drehmoment
ist Null, -wenn die Polachse des Läufers mit der Richtung des umlaufenden Magnetfeldes
zusammen
fällt, und es kann von diesem Wert aus in positiver und negativer
Richtung stetig bis zu einem Höchstwert verändert werden, der dann erhalten wird,
wenn die Polachse im rechten Winkel zu der Richtung, des umlaufenden Magnetfeldes.
steht.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform enthält daher der Gleichstrominotornach
der Erfindung Einrichtungen zur Veränderung der Winkelstellung zwischen dem von
den Wicklungen des zweiten Ständers erzeugten Magnetfäld und der Polachse des,dem
zweiten Ständer zugeordneten Läufers.
-
Eine vorteilhafte Weiterbildung dieser Augführungsform besteht darin,
daß die Einrichtungen zur Veränderung der Winkelstellung einen Drehmelder-Servomechartismus.
enthalten, mit- welchem die Winkelstellung des ersten Ständers in bezug auf den
zweiten Ständer einstellbar ist.
-
Die Erlmdung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielshalber
beschrieben. Darin zeigt Fig. 1 das elektrische Schaltschema eines nach der
Erfindung ausgeführten Halleffektmotors, Fi.g. 2 eine abgeänderte Ausführungsform
mit einer regelbaren Kopplung durch eine synchrone Geberanordnung zwischen den Läufern,
eines nach der Erfindung ausgeführten Motors und , F i g., 3 eine
weitere Abänderung mit einer synffironen Geberanordnung zur Einstellung des Wink
elg eines Ständm des erfindungsgemäßen Motors.
-
, Der in Fig. 1 dargestellte Motor enthält einen iTalleffektgeber.
Dieser Geber enthält einen Läufer 1,
der aus einem Permanentmagnet besteht,
welcher sich im Innern eines Ständers 2 dreht. Der, Ständer ist im wesentlichen
zyl!nEldsch und enthält zwei Hallsenden 5 -und & welche in zwei
ün rechten Winkel zuemander'angeordneten Schlitzen untergebracht sind. Die -Steuerelektroden.
(+ und- -) der Sonden werden mit Gleichstrom gespeist. Ihre Hallefektroden
sind- mit der einen bzw. der- anderen. von zwei elek-. trisch senkrecht zueinander
angeordneten Wicklungen 8 und e eines Ständers 3 verbunden, dessen
Läufer 4 ein Permanentmagnet ist, der mit dem Läufer 1 ohne Untersetzung
oder übergetzung durch, eine mechanische Verbindung 10., beispielsweise,eine einfache
Welle gekuppelt ist. Dfe magnetischen Achsen der beiden Läufer bilden miteinander
einen konstanten Winkel x, der beispielsweise n/2 beträgt.
-
Der Magnet 1 ist mit stärker hervortretenden und abgerundeten
Polschuhen am Nordpol und am Süd-
pol ausgestattet. Durch diese besondere
Form soll erreicht werden, daß die Spannungen an den Kleinmen derSonden
5 und 6 sinusförmig sind.
-
Die von den Sonden 5 und 6 abgenommenen Spannungen werden
durch symmetrische Transistorverstärker 51, 52 bzw. 61, 62 verstärkt.
-
Es sei e der Winkel, den die Nord-Süd-Richtung des Magneten
1 mit der Ebene der Sonde 5 bildet. Diese Sonde liefert
dann eine Spannung, die dem sin e proportional ist, während die Sonde
6 eine Spannung liefert, diedein cos 0 proportional ist.
-
Das von den Wicklungen 8 und 9 gemeinsam erzeugte Feld
H bildet dann einen Winkel 0 mit der Achse der Wicklung 9 und einen
Winkel jr/2 - 0 mit der Achse der Wicklung 8.
-
Bei dem -in - F'i g.. 1 dargestellten Fall ist das Drehmoment
Ü des Magnets 4 senkrecht zum Feld H gerichtet (x =
z72, sind * = 1). Dementsprechend ist das Anlaufdrehmoment ein Maximum,
und sein Wert entspricht dem Produkt M - H.
-
Wenn sich der Läufer 4 in der Richtung des. Pfeils 14 in Drehung setzt,
drehtsicü der Läufer 1,gleichzeitig in Richtung des Pfeils 11 mit der gleichen
Dreh-2ahl wie der Läufer 4. Wenn sich der Läufer 1 dreht, ändert sichder
Winkel 6F.. Da. die Wicklungen 8 und 9
von Strömen durch:gossen
werden, deren Stromstär-#en im Verhältnis tg (9 zueinander stehen, dreht
sich das resultierende Feld mit der Geschwindigkeit d 0/d t
in. der
Richtung des Pfeils 14.
-
Die Drehung des Felds- H bewirkt wiederum die Drehung des Magnets
4 unter der Wirkung eines Drehmoments, das gleich dem AnlaufdrehmomentC,
ist, einerseits verringert uni die Reibungen und andererseits. verzögert
auf Grund der Ströme, welche in den WickIungen 9 und 9 durch die Drehungdes
Magnets 4 induziert werden.
-
-Es. läßt sich aber feststellen, daß, das Drehmoment unter,
Belastung im wesentlichen dem Wert M - R proportional bleibt und sich
daher in den üblichen 13etriebsbereichen nur wenig in Abhängigkeit von der Drehzahl
ändert.
-
Dagegen können das Anlaufdrehmoment und dementsprechend das Betriebsdrehrnoment
!durch Veränderungdes Winkels- a zwischen dem Läufer 4 und dem Läufer
1 beeinflußt werden.
-
Es ist nämlich festzustellen, daß das Drehmoment beispielsweise den
Wert Null hätte (was dem Stillstand !des, Motors entsprechen würde), wenn der Magnet
4 paraller zum Magnet 1 angeordnet wäre, und:daßes sein Vorzeichen ändern
würde, wenn der Magnet 4 um 190' (a = 27a0) gegenüber der Einstellung
verstellt würde,- welche das maximale Drehmoment inder durch den Pfeil 14 angegebenen
Laufrichtung ergebert wurde.. Die zuletzt genannte Einstellung entspricht dann dem
Rückwärtslauf mit maximaler DrehzahL Natürlich kann man dem Drehmoment M
- H sin oc jeden zwischen den beiden Maxima (± M
- B) liegenden Wert geben, wenn eine Einstellmöglichkeit für den
Winkel oc zwischen dem Magnet 4 und dem Läufer 1 vorgesehen wird, die kontinuierlich
oder in vorgegebenen Stellungen feststellbar -sein kann.
-
j Zur Erzielung, dieser Verstellung kann man entweder die Einstellung,
des Ständers 3 in bezug auf
den Läufer 4 verändern oder vorzugsweise
die Verstellung deg Ständerg 2 ift bezug aüf den Läufer 1, da die Verstellung
des. Ständers d0,9 Gebätg -afttet Last Nachteile ergeben kann, wenn die,
Motörleistung groß ist.
-
Man kann den Winkel a auch dadurch veräiidotn, daß eine. Winkelverstellung
in die Kupplungsverbindung 10 zwischen dem Läufer 1 und dem Läufer
4 eingefügt wird.
-
Bei der Anordnung von F i g. 2 ist die mechanische Verbindung
10 zwischen dem Läufer 4 und dem Läufer 1 durch eine Synchrodetektor-Nachlaufregefung
ersetzt. Eine mechanische Verbindung 101 verbindet den Läufer 4 mit,dem Permanentinagnet
des Läufers eines ersten Gebers 11, der demjenigen von F i g. 1
gleich
ist. Eine Verbindung 102 verbindet den Läufer 1 mit dem Permanentmagnet des
Läufers eines Gebers 12, der dem ersten ähnlich ist. Die Hallelektroden der Sinussondendes
Gebers 11 sind über eine Leitung 13 mit den Hallelektroden der Cosinussonden
des Gebers 12 verbunden, und die Hallelektroden der Cosinussonden des Gebers
11 sind über eine Leitung 14 mit den Hallelektroden der Sinussonden des Gebers
12 verbunden.
-
Unter diesen Bedingungen erhält man an den Steuerelektroden !der Sinussonde
und der Cosinussonde des Gebers 12 zwei Spannungen, deren Differenz dem Sinus des
Winkelabstands zwischen den Einstellungen der Läufermagnete der Geber
11 und 12 proportional ist. Diese Spannungen werden an den Ausgängen
15 bzw. 16 des Gebers 12 abgenommen und einem Differenzverstärker
17 zugeführt, dessen Ausgangsspannung, welche -dem Sinus des zu beseitigenden
Winkelabstands proportional ist, den Steuereingangskleirunen eines Motors
18 zugeführt wird.
-
Die Regelschleife schließt sich über eine mechanische Verbindung
19, welche den Motor 18 mit dem Läufer des Gebers 12 verbindet.
-
Wenn also die Läufer der Geber 11 und 12 nicht parallel sind,
erscheint am Ausgang des Differenzverstärkers 17 eine Fehlerspannung, welche
den Motor 18 in Drehung versetzt, bis die parallele Lage der beiden Läufer
erreicht ist und dadurch die Ausgangsspannung des Verstärkers 17 verschwindet,
so daß der Motor 18 stillgesetzt wird.
-
Man erzielt dadurch eine Kopplungzwischen den Läufern :der Geber
11 und 12, mit der iein Winkel ec, beispielsweise 90' erreicht werden
kann, der durch die Einstellung des Läufers des Gebers 11 in bezug auf den
Läufer 4 und durch die Einstellung des Läufers des Gebers 12 in bezug auf den Läufer
1 be-stimmt ist. Eine solche Anordnung ist für den Fall anwendbar,
daß die Anordnung 1 den Auswirkungen einer für die Hallsonden schädlichen
Atmosphäre entzogen werden muß, da die Anordnung mit dem Läufer 4 dafür unempfindlich
ist.
-
In F i g. 3 ist die gleiche Anordnung zur Nachbildung eines
Winkels dargestellt, welche aus einem ersten Geber 11 und einem zweiten Geber
12 sowie einer Regelschleife besteht, welche sich zwischen den Ausgängen
15, 16 des Gebers 12 und einer den Läufer des Gebers 12 steuernden mechanischen
Verbindung 19 über den Verstärker 17 und den Motor 18
schließt.
-
Indiesem Fall wird aber der Läufer des Gebers 11 von einem Handeinstellknopf
20 über eine mechanische Verbindung 21 gesteuert, während der Läufer des Gebers
12 über eine mechanische Verbindung 22 tält eiiieüi kitzel 13 verbund en ist, das
den Ständer 2 -über eine Umfangsverzahnung 24 antreibt.
-
. 1)ef titigtellkn-opf !Ö känn auch unm itelbar auf
däs Rieel Iä #öiü*itkäji, go- -da13 dann der Servoüiddh-änlsiüüs übefflüssig ist.
-
. P-s igt oftefwähtlich, da3 bei Jer -beschriebenen Anotdieig.
#ddi Ständer 2 durch Einwirkung auf den Einst#üllküöpf 10, iddi sich beispielsweise
fror einer die entsprechenden Werte von oc an eigenden Skala dreht, von einer
Anfangsstellung an, die beispielsweise dem Wert x = 2r/2 entspricht,
d. h., dem maximalen Wert des Drehmoments (C, = M - H), von
-nI2 bis +n/2 verstellbar ist, d. h. übeT die entsprechenden Betriebsbereiche
des Motors, insbesondere »Vorwärtslauf« (oc = ir/2) und »Rückwärtslauf« (a
= 3 ir/2) mit maximalem Drehmoment, und »Stillstand« (a = 0).
-
Fallses nicht erforderlich ist, Bürsten mit Schleifringen vollständig
zu beseitigen, kann man natürlich zur Winkelverstellung auch eine Geberanordnung
mit herkömmlichen induktiven oder kapazitiven Gebern verwenden.
-
Ferner k2n n man natürlich auch ein Untersetzungsgetriebe in die Verbindung
10 einfügen, wodurch erreicht wird, daß sich der Winkel cc und die Drehzahl
des Motors stetig ändern. Dies hat zur Folge, daß der Motor periodisch stehenbleibt,
wenn a zu NuR wird, und in diesem Augenblick hat jeder der Läufer eine Zahl von
Umdrehungen ausgeführt, welche durch das Untersetzungsverhältnis des Untersetzungsgetriebes
bestimmt ist. Diese Eigenschaft kann in bestimmten Anwendungsfällen erwünscht sein.