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Kollektorloser Motor Es sind kollektorlose Gleichstrommotoren mit
getrennten, auf einer gemeinsamen Achse sitzenden Impulserzeuger- und Antriebsteilen
bekannt, bei denen die vom Impulserzeuger gelieferten Impulse, durch Transistoren
verstärkt, dem Antriebsteil zugeführt werden. Dabei kann der Impulserzeuger aus
einem stabförmigen Magneten bestehen, der mit einer oder mehreren Impulsspulen zusammenwirkt.
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Auch ist es bekannt, zur Vermeidung von Kollektorbürsten bei einem
Polankermotor den Ständer desselben als Permanentmagnet auszubilden und den Anker
mit periodisch in einen Elektrolyten eintauchende, zusammen mit diesen die Stromquelle
für den Motor bildende Elektroden zu versehen.
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Ferner ist es bekannt, einen zwei- oder mehrphasigen Induktionsmotor
mit seinen Phasenwicklungen an ein Gleichstromnetz zu legen. Zu diesem Zweck ist
jeder Phasenwicklung mindestens ein strahlungsgesteuerter Transistor vorgeschaltet,
der mittels einer auf der Motorwelle sitzenden Lochscheibe so angesteuert wird,
daß sich ein Drehfeld ergibt.
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Es sind auch Schaltungsanordnungen für aus einer Gleichspannungsquelle
gespeiste kollektorlose Motoren bekannt, bei denen ausschließlich durch die Relativbewegung
eines permanenten Rotors zum Stator in wenigstens einer Statorwicklung eine periodische
Spannung als Steuerspannung für eine elektronische Schaltvorrichtung, z. B. eine
Transistorschaltvorrichtung, induziert wird, deren Ausgangsspannung wenigstens einer
zweiten Statorwicklung in Form von Gleichstromimpulsen so zugeführt wird, daß der
Rotor in der bereits eingeschlagenen Drehrichtung weiter angetrieben wird. Bei allen
diesen bekannten kollektorlosen Motoren ist der Rotor als Permanentmagnet ausgebildet,
während im Stator die von den Halbleitern angesteuerten Spulen angebracht sind.
Das hat den Nachteil, daß diese Motoren hohes Trägheitsmoment aufweisen und daher
als Servomotoren nicht geeignet sind.
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Es ist weiterhin bekannt, Servomotoren über Verstärker zu betreiben.
Benutzt man dazu einen Gleichstrommotor, so kann man zwar die Vorteile dieses Motortyps,
nämlich relativ große spezifische Leistung und guter Wirkungsgrad, ausnutzen, man
muß aber gleichzeitig seinen entscheidenden Nachteil in Form des Kollektors in Kauf
nehmen. Dieser ist nämlich bei der Herstellung verhältnismäßig teuer, nutzt sich
ab und gibt wegen fehlender Selbstreinigung bei intermittierendem Betrieb schlechten
Kontakt. Außerdem muß der Verstärker ein Gleichstromverstärker sein, der bekanntlich
ziemlich aufwendig und nicht nullpunktstabil ist.
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Demgegenüber sind Wechselstrom-Induktionsmotoren viel einfacher aufgebaut
und haben erfahrungsgemäß eine hohe Lebensdauer. Ihr Nachteil ist darin zu sehen,
daß sie bei kleiner Bauweise einen schlechteren Wirkungsgrad als die Gleichstrommotoren
aufweisen und dann sowohl im Gewicht als auch im Volumen viel größer sind als diese.
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Werden dagegen bekannte kollektorlose, elektronisch gesteuerte Gleichstrommotoren
verwendet, so sind damit zwar die für den Gleichstrommotor aufgezeigten Nachteile
behoben, es treten dafür aber andere, z. B. die obenerwähnte Trägheit, zutage. Diese
Motoren laufen nämlich nicht selbständig an und sind bei einfacher Schaltungsausführung
nicht reversierbar. Des weiteren tritt der Verstärkeraufwand, der den Kollektor
ersetzt, zusätzlich zu dem des Servoverstärkers hinzu.
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Bekannt sind ferner Schrittmotoren und Schaltungen zu ihrem Betrieb,
die mit elektrischen Impulsfolgen gespeist werden. Diese bewirken dann eine Drehung
des Rotors um einen bestimmten Winkel, erzeugen also Winkelschritte. Solche Motoren
sind nur für diskontinuierliche Antriebe geeignet.
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Es ist ferner nicht mehr neu, bei Motorantrieben Transistoren als
Steuerschalter zu benutzen. So ist beispielsweise ein Generator für Dreiphasenstrom
vorbeschrieben, der zum Antrieb eines normalen Dreiphasensynchronmotors benutzt
ist. Es finden drei Transistoren Verwendung, derart, daß ein Drehfeld erzeugt wird,
das den Rotor des Motors antreibt.
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Weiterhin ist ein Motor vorbeschrieben, bei dem Wechselspannungen
als Signalspannungen Verwendung finden, die drehwinkelabhängig moduliert werden.
Zu ihrer Erzeugung sind für den Vor- und den Rückwärtslauf je eine feste Frequenz
und damit je
ein Oszillator oder aber auch nur ein Oszillator notwendig.
Die Motorspulen werden mittels Transistoren so gesteuert, daß sie entweder ein-
oder ausgeschaltet sind. Eine vorhandene Gleichstromkomponente verursacht dabei
eine Dämpfung der Rotorbewegung.
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Gegenstand eines älteren deutschen Patents ist auch bereits ein Wechselstromzähler,
der einen aus mehreren gleichmäßig über den Ankerumfang verteilten, sich gegenseitig
überlappenden Spulen bestehenden drehbaren Anker zur Erzeugung eines stromproportionalen
Drehmoments aufweist. Die einzelnen Spulen oder mehrere in Reihe geschaltete Spulen
des Ankers sind direkt über je einen Gleichrichter kurzgeschlossen. Der Anker bewegt
sich zwischen den beiden Triebluftspalten eines oder mehrerer Triebmagnetsysteme,
die aus einem wechselstromerregten und aus einem gleichstromerregten oder permanenten
Magneten bestehen, die räumlich derart gegeneinander versetzt sind, daß bei Drehung
des Ankers die Flächen jeder Spule nacheinander während solcher Zeitintervalle vom
Fluß des wechselstromerregten Magneten durchsetzt werden, in denen jeweils die erste
oder jeweils die zweite der beiden senkrecht zur Drehrichtung verlaufenden Seiten
der gerade vom Fluß des wechselstromerregten Magneten durchsetzten Spule das Magnetfeld
im Luftspalt des gleichstromerregten bzw. permanenten Magneten passiert. Bei diesem
Zähler findet nur eine einfache Gleichrichtung statt. Die Drehrichtung kann durch
Umpolung der gleichstromerregten Magneten umgekehrt werden. Es müssen die Permanentmagneten
und Erregerspulen so gelagert sein, daß sie gerade im Augenblick der richtigen Polung
ein Antriebsmoment ergeben. Eine solche Anordnung ist zwar für Zähler ausreichend,
bei denen nur ein geringer Wirkungsgrad benötigt wird. Als Servomotor ist diese
Anordnung nicht geeignet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kollektorlosen Motor
zu schaffen, der gegenüber bekannten Maschinen eine hohe Empfindlichkeit besitzt
und bei dem zum Erreichen dieser Empfindlichkeit nur ein geringer Aufwand notwendig
ist.
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Die Erfindung geht aus von dem bereits als Zähler vorgeschlagenen
kollektorlosen Motor, bei dem Arbeitsspulen des Stators längs des Umfanges des Rotors
mit Gleichfeldpolen wechselnder Polarität abwechseln und aus einer Wechselspannungsquelle
gespeist werden, deren Frequenz groß gegen die Drehfrequenz des Rotors ist, sowie
Arbeitsspulen des Rotors und damit in Reihe geschaltete, mit dem Rotor starr verbundene,
gleichrichtende Mittel vorgesehen sind, die aus den in den Arbeitsspulen des Rotors
induzierten Gleichfeldpolen des Ständers ein Drehmoment bilden. Der neue Motor zeichnet
sich dadurch aus, daß die gleichrichtenden Mittel gesteuerte Gleichrichter sind,
die durch eine über Übertragungsglieder kontaktlos vom Stator auf den Rotor übertragene
Wechselspannung gleichbleibender Phasenlage gesteuert sind, deren Frequenz gleich
der Frequenz der den Arbeitsspulen des Stators zugeführten Spannung ist. Nach einem
weiteren Merkmal der Erfindung ist zum Zweck der Drehrichtungsumkehr die den Statorarbeitsspulen
oder den Übertragungsspulen zugeführte Wechselspannung in ihrer Phasenlage umkehrbar.
Zu diesem Zweck findet beispielsweise ein Zerhacker mit einer Steuergleichspannung
veränderbarer Polarität Verwendung. Für die Übertragung zum Rotor können induktive
oder kapazitive Mittel verwendet sein.
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Durch die Anwendung einer relativ hohen Frequenz für die Übertragung
von oder zum Rotor des Motors an Stelle von Schleifringen oder eines Kollektors
wird die Übertragung wesentlich verbessert, die bei den bekannten Induktionsmotoren
durch die nur sehr kleine wirksam werdende Schlupffrequenz f,1 - f.",, begrenzt
ist, was sich besonders bei kleinen Motoren störend bemerkbar macht. Darüber hinaus
aber ist durch die Anwendung eines höherfrequenten Trägers die Möglichkeit gegeben,
auch beim Stillstand des Motors Stellungssignale zu übertragen und sowohl einen
Anlauf aus dem Stand als auch eine Drehrichtungsumkehr sicher zu steuern.
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Der Unterschied zwischen dem neuen Motor und mit höherer Frequenz
betriebenen Induktionsmotoren besteht ferner darin, daß ein magnetisches Gleichfeld
vorhanden ist. Die Wechselspannungen werden gleichgerichtet. Auf diese Weise wird
die Wirkungsweise eines Gleichstrommotors unter Ausnutzung der Kräfte statischer
Magnetfelder erzielt. Ein Vorteil eines Reglers, der mit dem neuen Motor aufgebaut
ist, ist darin zu erblicken, daß bei ihm auf den bisher zur Gewinnung einer drehzahlproportionalen
Spannung notwendigen Tachogenerator verzichtet werden kann, wobei der neue Regler
auch kosten- und aufwandmäßig günstiger abschneidet.
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Die Erfindung ist nachfolgend an Hand von in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt F i g. 1 schematisch einen Servomotor
mit eisenlosem Läufer, F i g. 1 a die Schaltung des Rotors, F i g. 2 und 3 Ausführungsbeispiele
für den Kern eines Glockenankers.
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In F i g. 1 ist als Beispiel für die Erfindung ein Servomotor mit
eisenlosem Läufer dargestellt. Auf einer in einem 4poligen Stator drehbar gelagerten
Welle 50 ist ein nicht metallischer Glockenanker 51 aufgebracht, auf dessen Umfang,
jeweils um 120° gegeneinander versetzt. Flachspulen 52, 53, 54 befestigt sind, die,
wie die F i g. 1 a erkennen läßt, über in einem Gehäuse 72 untergebrachte, mitrotierende
Transistoren 55, 56, 57 mit einer ebenfalls mitlaufenden übertragerspule
58 verbunden sind. Diese Spule wirkt mit einer stationären, die Welle 50 umschließenden
übertragerspule 59 zusammen. Zwei sich gegenüberliegende Pole des Stators sind mit
Wicklungen 60, 61 versehen, die, mit der Spule 59 in Reihe liegend, von einem
Oszillator 62 gespeist werden. Die beiden anderen, um 90° gegen die genannten versetzten
Ständerpole 63, 64 bilden die beiden Pole eines Gleichfeldmagneten, der als Dauer-
oder als Elektromagnet ausgebildet sein kann.
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Bekanntlich befindet sich bei Anwendung eines Glockenankers in dessen
Öffnung ein feststehender Kern, der entweder unmagnetisiert nur als Brücke für den
magnetischen Kreis des Motors oder magnetisiert zur Erzeugung eines Magnetgleichfeldes
dient. Hierzu können dann Elektro- oder Permanentmagneten Verwendung finden. So
ist beispielsweise auch die Verwendung eines radial magnetisierten Kerns bekannt.
Dieser Kerntyp läßt sich nicht ohne weiteres beim neuen Motor anwenden, vielmehr
muß bei seiner Anwendung durch zusätzliche Maßnahmen dafür Sorge getragen sein,
daß das durch die Wicklungen 60, 61 erzeugte Magnetfeld durch Schließen
seines
magnetischen Kreises zur Wirkung kommen kann. Zwei derartige Maßnahmen sind in den
F i g. 2 und 3 dargestellt. In F i g. 2 ist im Schnitt gezeigt, daß ein radial magnetisierter
Kern 65 eine Aussparung 66 aufweist, die mit einem magnetisch weichen Material ausgefüllt
ist. Der Stator des Motors ist aus zwei Mänteln aufgebaut, von denen der innere
Öffnungen 67, 68 aufweist, durch welche die den Spulen 60, 61 zugeordneten Pole
des äußeren Mantels hindurchgreifen. Bei dem in F i g. 3 gezeigten Kern, der ebenfalls
radial magnetisiert ist, sind Ausfräsungen 69, 70 vorhanden, in die ein den Kern
in seiner Länge umschließender magnetischer Kurzschlußring 71 eingefügt ist.
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Bei dem dargestellten Beispiel erzeugt der Oszillator 62 ein magnetisches
Wechselfeld, das gegen das Gleichfeld der Pole 63, 64 um 90° gedreht ist. In die
Spulen 52 bis 54 wird je eine Wechselspannung induziert, ebenso durch die Spule
59 in die Spule 58. Die Transistoren 55 bis 57 wirken als phasenempfindliche Gleichrichter.
Sie schalten nur für eine Halbwelle des Wechselstroms, so daß die Gleichstromkomponente
im Gleichfeld des Magneten 63, 64 zur Wirkung kommt. Wenn die Spulen die waagerechte
Lage durchlaufen haben, werden sie vom Wechselfeld in entgegengesetzter Richtung
durchflutet. Dadurch wird in ihnen eine gegenphasige Wechselspannung erzeugt, die,
da die Phasenlage der Basisspannung der Transistoren immer gleichbleibt, einen umgekehrten
Gleichstrom hervorrufen. Wenn nämlich die Spannung, die in die Spule 58 induziert
wird, immer größer ist als die in den Spulen 52 bis 54 induzierten Spannungen, so
können die Transistoren 55 bis 57 auch bei umgekehrter Arbeitsspannung noch sicher
gesperrt werden. Sie wirken also dann in beiden Richtungen als phasenempfindliche
Gleichrichter. Selbstverständlich müssen dabei entweder durch einen genügend hohen
Kupferwiderstand der Spulen 58 und 59 (die ja nur kleine Steuerleistungen zu übertragen
haben) oder durch zusätzliche Widerstände die Basisströme der Transistoren begrenzt
werden. Um relativ leicht eine Reversierbarkeit des Motors zu schaffen, fügt man
zweckmäßigerweise in die Speiseleitung der stationären Spule 59 einen Chopper mit
Betriebsspannung veränderbarer Polarität ein.
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Durch die Anwendung eines Glockenankers ergibt sich gegenüber bekannten
kollektorlosen Gleichstrommotoren noch der Vorteil, daß der neue Motor wegen des
geringen Trägheitsmoments seines Rotors sich für Regelzwecke besonders gut eignet.
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Werden also die oben beschriebenen Motoren in einem geschlossenen
Regelkreis mit Rückführung angewendet, so sieht man zweckmäßigerweise Mittel zur
Gewinnung einer Wechselspannung drehzahlproportionaler Frequenz vor. Diese Wechselspannung
wird differenziert, phasenempfindlich gleichgerichtet und dann als drehzahlproportionale
Gleichspannung der Steuergleichspannung des Motors subtraktiv überlagert. Für den
Fall, daß die drehzahlproportionale Wechselspannung in einer nicht differenzierbaren
Form, wie sie beispielsweise die Rechteckform darstellt, vorliegt, wird sie zunächst
in eine differenzierbare Form umgewandelt. Dies kann beispielsweise durch verzögernde
Übertragungsglieder erfolgen, die eine Abrundung der Spannungsflanken bewirken.