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Anordnung zum Steuern von Elektromotoren Die Erfindung richtet sich
auf eine Anordnung zum Steuern von Elektromotoren mit je einem stromsteuernden
Steuerelement in jeder Stromzuführung, bei der jedes Steuerelement unter dem Einfluß
eines Oszillators steht und in einem Winkelbereich von etwa 3601, geteilt
durch die Anzahl der Steuerelemente, ansteuerbar ist.
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Bei den gebräuchlichen Elektromotoren stellt ein auf der Ankerwelle
angeordneter Kollektor über auf ihm schleifende feststehende Bürsten die Verbindung
zwischen Ankerwicklung und äußerem Stromkreis dar. Die Nachteile dieser Anordnung
sind zahlreich. Der Stromübergang ist nicht zuletzt durch die infolge der Reibung
auftretende Abnutzung vergleichsweise schlecht, und es ergeben sich Funkenbildungen
mit ihren nachteiligen Folgen sowie beträchtliche Geräusche. Andererseits ist der
Kollektor vielfach die Ursache von beträchtlichen Anlaufschwierigkeiten. Schließlich
vermögen die mit einem Kollektor arbeitenden Motoren den heutigen Anforderungen
der Regeltechnik, insbesondere hinsichtlich der Drehzahlregelung, nicht in jedem
Fall mehr gerecht zu werden.
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Elektromotoren, die auf einen Stromübergang im Kollektor verzichten
und die dadurch bedingten Nachteile vermeiden, sind bereits bekannt. Im Fall eines
solchen vorbekannten Elektromotors ist in jeder Stromzuführung ein Transistor angeordnet,
der in Abhängigkeit von der jeweiligen Läuferstellung angesteuert wird. Dabei besteht
über einen mit dem Rotor umlaufenden Magnetkern eine ständige Kopplung zu den Motorwicklungen,
über welche Spannungsstöße induziert bzw. Impedanzänderungen hervorgerufen werden.
Die Frequenz der nacheinander in den Stromzuführungen auftretenden Spannungen ist
ein Maß für die Drehzahl des Motors. Diese Spannungsstöße stimmen mit den Motorphasen
überein, und sie bewirken damit eine Kommutierung des Stroms in Abhängigkeit von
der jeweiligen Läuferstellung. Dabei dient ein Oszillator zur Umwandlung der von
der Spannungsquelle gelieferten Gleichspannung in eine niederfrequente Wechselspannung
zur Versorgung des Motors. Der Oszillator schwingt dauernd mit gleicher Frequenz
und könnte ohne weiteres durch eine Wechselspannungsquelle ersetzt werden.
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Der hierzu erforderliche Aufwand ist beträchtlich und allenfalls in
Verbindung mit dem dort vorliegenden speziellen Zweck vertretbar.
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Ein anderer bekannter Motor bedient sich einer veränderlichen Rückkopplung,
wobei jedem Steuerelement ein eigener Schwingkreis zugeordnet ist. Wieder in einem
anderen Fall dient ein Drehfeld mit einstellbarer Frequenz zur Drebzahlregelung,
wobei die Schaltelemente durch von einer Ringkippschaltung ausgehende Impulse gesteuert
werden. Die Ab-
hängigkeit von einem mehrstufigen astabilen Kippgenerator
bedingt aber einen erheblichen Aufwand, der nur für spezielle Einzelfälle vertretbar
ist.
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Ein vorbekannter Uhrenantrieb mit einem in einer Ebene schwingenden
Element arbeitet nach dem Prinzip der Amplitudenmodulation, und ein vom Schwingkreisgenerator
angetriebenes mechanisches Schwingorgan ist speziell auf den Antrieb des mechanischen
Schwingers aus der Ruhelage gerichtet. Als Schwingkreisgenerator wird ein Oszillator
verwendet, dessen Rückkopplung durch das Steuerorgan taktmäßig verändert wird, wodurch
sich die Anregung für das mechanische Schwingorgan ebenfalls ändert. Diese Maßnahme
läßt sich jedoch nicht ohne weiteres auf die Ansteuerung eines mit möglichst konstanter
Drehzahl laufenden Elektromotor übertragen.
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Auch die bei einem bekannten Schrittschaltwerk getroffene Anordnung,
bei dem durch Änderung der Kopplung zweier Oszillatorspulen pro Umdrehung der Antriebswelle
zwei Antriebsimpulse für diese Welle erzeugt werden, kann nicht zum Steuern. von
Elektromotoren verwendet werden. Es ist dort nämlich nicht möglich, eine ausreichende
Leistung abzunehmen, weshalb das bekannte Schrittschaltwerk einen nachgeschalteten
Elektromagneten aufweist, der zum Antrieb einer von dem Schrittschaltwerk angetriebenen
Einreichung, beispielsweise einer Uhr, dient.
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Aufbauend auf diesen vorbekannten Motor schafft die Erfindung eine
Anordnung zum Steuern von Elektromotoren, die sich insbesondere infolge ihres überaus
einfachen Aufbaus besonders zur Großserienfertigung von Elektromotoren unter Verwendung
eines HF-Gliedes eignet.
Erfindungsgemäß ist bei einem Elektromotor
der eingangs bezeichneten Art jedem Steuerelement ein in Abhängigkeit von der Winkellage
des umlaufenden Ankers bedämpfbarer Hochfrequenz-SteuerosziUator zugeordnet, und
es ist jeweils mindestens einer der Steueroszillatoren bedämpft.
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An die Stelle des Kollektors treten damit die Steuerelemente, die
wiederum in funktioneller Ab-
hängigkeit vom Ankerumlauf arbeiten. Der Motor
wird dann allein auf induktivem Wege gesteuert, so daß sich ein Höchstmaß an Betriebssicherheit
und eine außerordentliche Präzision der Wirkungsweise ergeben, wie sie für zahlreiche
Anwendungsgebiete, insbesondere in der Regeltechnik, unabdingbar sind. Gelangt der
jeweilige Steueroszillator in den Einfluß des Dämpfungsgliedes, so kann der ständig
schwingende Oszillator keinen Hochfrequenzstrom mehr erzeugen, und das dem Oszillator
zugeordnete Steuerelement zieht vollen Strom. Umgekehrt ist es auch denkbar, daß
mehrere, beispielsweise sämtliche vorhandenen Oszillatoren, bis auf einen gleichzeitig
bedämpft werden.
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Dieses Vorgehen unterscheidet sich auch wesentlich von einem älteren
Vorschlag, nach dem ein -Hochfrequenzoszillator eine der Anzahl der Steuerglieder
entsprechende Zahl von Ausgangswicklungen aufweist, die so gegeneinander geschaltet
sind, daß sich die Spannungen in ihnen aufheben. An die Ausgangswicklungen sind
aus mehreren segmentförnügen Elektroden gebildete Kondensatoren angeschlossen, deren
Kapazität durch eine mit dem Rotor umlaufende Elektrode verändert wird. Dadurch
ändert sich die Spannung am Steuerglied, was zum Antrieb des Motors ausgenutzt wird.
Hier ist ein besonders sorgfältig gearbeiteter, aufwendiger Oszillator erforderlich,
damit sich die Spannungen in den Ausgangswicklungen aufheben. Außerdem muß der Motor
stets eine gerade Anzahl von Statorwicklungen aufweisen, wodurch sich dessen Aufbau
verteuert.
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Es wurde auch schon vorgeschlagen, bei einem Motor die Schalttransistoren
für die drei Ständerwicklungen gleichzeitig je in einem rückgekoppelten Schwingkreis
zu verwenden, dessen Rückkopplung flichkraftabhängig veränderlich ist. Bei geringer
Kopplung der beiden Oszillatorspulen ist dabei die Resonanzfrequenz der Schwingkreise
so hoch, daß die NF-Schalttransistoren nicht mehr durchgesteuert werden und so die
entsprechende Ständerwicklung keinen Strom mehr führt. Diese Steuerung ist daher
stark von der Grenzfrequenz der Transistoren abhängig und arbeitet überdies in einem
ungünstigen Bereich für die Transistoren. Zudem bereitet die Herstellung des zentral
angeordneten Trägers mit den sechs Oszillatorspulen große Schwierigkeiten bei kleinen
Motoren, während erfindungsgemäß nur drei Spulen am Umfang des Motors erforderlich
sind.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung - , kann eine mit dem
Anker umlaufende Blende vorgesehen sein, in deren Wirkungsbereich Schwingkreisspulen
der Steueroszillatoren angeordnet sind.
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Die Blende kann, wie die Erfindung weiter vorsieht, in an sich bekannter
Weise aus einer Blechfalme bestehen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, als
Blende eine Dämpfungsspule zu verwenden, die, was sich als besonders vorteilhaft
herausgestellt hat, einen Fliehkraftschalter aufweisen kann. In jedem Fall muß die
von der Blende ausgehende Dämpfungswirkung so weit gehen, daß die den Oszillatoren
zugeordneten Steuerelemente ansprechen können. Durch den Fliehkraftschalter erfährt
die Anordnung in einfachster Weise eine Erweiterung iin Sinn einer Konstanthaltung
der--Drehzahl, denn der Fliehkraftschalter öffnet beim Überschreiten einer. vorbestimmten
Drehzahl, so daß in diesem Fall die Dämpfungswirkung nicht eintritt. Eine solche
Drehzahlregelung wird höchsten Ansprüchen gerecht, obwohl sie nur einen minimalen
Aufwand erfordert. Die Anordnung vereinigt in sich die Vorzüge des kollektorlosen
Betriebes mit denjenigen der höchsten Ansprech- und Regelgenauigkeit.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben -sich aus
der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sowie
an Hand des in der Zeichnung wiedergegebenen Schaltbildes.
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Die Stromzuführungen des mit M bezeichneten Motors sind bei
1, 2 und 3 angedeutet, und es ist weiter dargestellt, daß in diese
Stromzuführungen je
ein Steuerelement in Form eines mit einem Transistor 4
bestückten Schalters 5 einbezogen ist. Dieser Schalter 5 vereinigt
in sich weiter die erforderlichen Widerstände sowie einen Kondensator und einen
Gleichrichter. Jedem dieser Steuerelemente 5 ist ein Oszillator
6 von an sich bekannter Ausführung zugeordnet, dessen Steuerspule mit
7 bezeichnet ist. Der Oszillator erzeugt einen HF-Strom und bewirkt dadurch
ein Trennen des Schalters 5, so daß der Stromfluß durch die einzelnen Zuleitungen
1-, 2 oder 3
unterbrochen wird.
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Die Steuerelemente 5 sind entsprechend den drei Stromzuführungen
IL bis 3 um jeweils 360'/n = 1201 gegeneinander versetzt angeordnet.
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Mit dem in der Schemazeichgung nicht wiedergegebenen Anker des Motors
M, dessen Unilaufrichtung beispielsweise dem Pfeil 8 entspricht, läuft eine
Blende um, die in Form eines Dämpfungskreises 9
mit einem Widerstand und einer
Spule 10 versehen ist. Zur Drehzahlregelung ist außerdem noch ein Fliehkraftregler
11 in den Dämpfungskreis 9 einbezogen.
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Läuft der Motor M im Betrieb in Pfeilrichtung 8
um, so wirkt
die mit dem Anker umlaufende Dämpfungsspule 10 nacheinander auf die Steuerspulen
7
des jeweiligen Oszillators 6 ein. Das hat zur Folge, daß die HF-Stromerzeugung
durch den Oszillator unterbrochen wird, so daß der diesem Oszillator zugeordnete
Schalter 5 vollen Strom ziehen kann. Dieses Spiel wiederholt sich mit dem
Umlauf des Dämpfungskreises 9 bei jedem der dargestellten drei Steuerelemente
bzw. deren Oszillatoren von neuem, so daß sich hieraus eine wirkungsvolle und außerordentlich
zuverlässig arbeitende Motorsteuerung ergibt.
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Steigt dabei die Drehzahl des Ankers über einen vorbestimmten Wert
an, so öffnet der Schalter 11
unter der Wirkung der Zentrifugalkraft,
d. h., die von der Spule 10 ausgehende Dämpfungswirkung wird momentan
unterbrochen, so daß der jeweils im
Einwirkungsbereich der Spule
10 des Dämpfungskreises 9 liegende Oszillator 6 weiterschwingt
und mithin der jeweilige Schalter 5 getrennt ist. Sinkt dabei infolge der
unterbrochenen Stromzufuhr zum Motor dessen Drehzahl entsprechend ab, schließt der
Fliehkraftschalter 11 im vorbestimmten Drehzahlbereich wieder, so daß der
Dämpfungskreis 9 wieder funktionsfähig ist.