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Einrichtung zum Anlassen eines bürstenlosen Gleichstrommotors Die
Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Anlassen eines bürstenlosen Gleichstrommotors,
bei dem die Rotordrehung durch rotorstellungsabhängige Steuerung der Größe und Polarität
des Ankerstromes einstellbar ist.
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Ein bürstenloser Gleichstrommotor hat weitgehend ähnliche Kennlinien
wie ein Nebenschlußmotor. Der Ankerstrom ist also im Anlaßzeitpunkt sehr groß, so
daß er einerseits eine hohe Belastung für die Stromquelle bildet und zur übermäßigen
Erhitzung der Ankerwicklung führen kann; mit zunehmender Drehzahl fällt der Ankerstrom
bis zur Leerlaufdrehzahl weitgehend ab. Da die Nenndrehzahl möglichst nahe bei der
Leerlaufdrehzahl liegt, ist der Ankerstrom bei der Nenndrehzahl vergleichsweise
gering. Eine Begrenzung des Anlaßstromes durch Anlaßwiderstände ist in manchen Fällen
unerwünscht.
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Es ist bereits bekannt, bei einem Kombinationsmotor aus einem transistorgesteuerten
Motor und einem Kollektormotor den Strom für den Kollektormotor drehzahlabhängig
zu steuern, um dadurch die Drehzahl der Ausgangswelle zu regeln.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Einrichtung zum Anlassen
eines bürstenlosen Gleichstrommotors mit der üblichen rotorstellungsabhängigen Steuerung,
bei der durch eine zusätzliche drehzahlabhängige Steuerung der Ankerstromamplitude
auf Vorwiderstände als strombegrenzendes Mittel verzichtet werden kann. Im einzelnen
soll der Strom im Anlaßzeitpunkt möglichst genau gleich dem Strom bei der Nenndrehzahl
sein, damit man eine hohe Leistungsabgabe erhält.
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Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß im Rahmen
der eingangs geschilderten Auslaßeinrichtung neben einer ersten Steuerschaltung
für eine erste Ankerwicklung, in der der Strom im Anlaßzeitpunkt groß ist und mit
zunehmender Rotordrehzahl absinkt, zusätzlich eine einer zweiten Ankerwicklung zugeordnete
zweite Steuerschaltung vorgesehen ist, die den Strom der zweiten Wicklung derart
steuert, daß derselbe bei kleiner Rotordrehzahl gering ist und entsprechend dem
Anstieg der Rotordrehzahl so ansteigt, daß der Summenstrom der beiden Ankerwicklungen
im Anlaßzeitpunkt möglichst genau dem Strom bei der Nenndrehzahl gleich ist.
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Durch diese Aufteilung der Ankerwicklung - die bei anderen Motoren
für andere Zwecke bereits bekannt ist - bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor
und durch die Steuerung der Teilströme in der angegebenen Weise erreicht man, daß
der Anlaßstrom nicht größer als der Nennstrom ist. Eine Überlastung der Stromquelle
ist somit ausgeschlossen. Außerdem ergeben sich eine vergleichsweise hohe Leistungsabgabe
und ein günstiger Wirkungsgrad.
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Im einzelnen kann man die Kennlinie des bürstenlosen Gleichstrommotors
so auslegen, daß der Summenstrom der beiden Ankerwicklungen während des Anlaufvorgangs
bis zur Nenndrehzahl im wesentlichen gleich ist. In anderer Weise kann man den Strom
in der zweiten Ankerwicklung auch so steuern, daß derselbe im wesentlichen nur im
Bereich der Nenndrehzahl fließt. Hierfür schlägt die Erfindung eine Frequenzauswahlschaltung
innerhalb der zweiten Steuerschaltung vor, die zwischen die Stellungsnachweiseinrichtung
und die zweite Ankerwicklung eingefügt ist und nur Stellungsnachweissignale einer
bestimmten Frequenz durchläßt. Diese Frequenzauswahlschaltung ist im wessentlichen
auf die Nennfrequenz abgestimmt.
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Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung kann man auch eine die
Speisespannung der zweiten Steuerschaltung regelnde Steuerstufe vorsehen, die die
Speisespannung derselben in Abhängigkeit von der Rotordrehzahl regelt.
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Die Erfindung wird nunmehr an Hand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Es stellen dar F i g. 1(a) und 1(b)
Kennlinien zur Erläuterung des Betriebsverhaltens eines bekannten Nebenschlußgleichstrommotors,
F i g. 2 (a) eine Ankerstrom - Drehzahl - Kennlinie eines bekannten Gleichstrommotors
mit abgestuftem Anlaßwiderstand gemäß F i g. 2(b),
F i g. 3 ein
schematisches Schaltbild eines bekannten bürstenlosen Gleichstrommotors mit einem
Hallgenerator, F i g. 4 ein schematisches Schaltbild des Aufbaus und der Anordnung
einer Ausführungsform eines bürstenlosen Gleichstrommotors nach der Erfindung, F
i g. 5 Kennlinien des erfindungsgemäßen Motors, F i g. 6(a), 6(b) und 6(c) weitere
Kennlinien für verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Motors und F
i g. 7 (a), 7 (b), 7 (c), 8 (a), 8 (b), 8 (c), 9 (a), 9 (b), 9 (c) jeweils Schaltbilder
und Kennlinien verschiedener Ausführungsformen der Erfindung. Die folgende Betrachtung
über Gleichstrommotoren im allgemeinen sowie verschiedene Nachteile nach dem Stand
der Technik bezüglich bürstenloser Gleichstrommotoren dient zum Verständnis des
Wesens und der Brauchbarkeit der vorliegenden Erfindung.
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Bekanntlich ist in einem Nebenschlußgleichstrommotor die EMK E der
Ankerwicklung der Motordrehzahl und das Drehmoment T dem Ankerstrom proportional.
Ferner ist bei Leerlauf die EMK E der Ankerwicklung der anliegenden Spannung V proportional,
und zudem ist T = 0. Diese Beziehungen sind in F i g. 1 dargestellt und werden durch
die folgenden Gleichungen (1), (2) und (3) zum Ausdruck gebracht: V= E+I-R,
(1)
V-I = E-I+Iz-R, (2)
Elektrische Eingangsleistung = Mechanische
Ausgangsleistung -j- Kupferverluste,
Nach dieser Beziehung erreicht die elektrische Eingangsleistung P1 zum Anlaßzeitpunkt
ihren Maximalwert , wogegen die mechanische Ausgangsleistung
Po des Motors einen Maximalwert bei der Hälfte der Leerlaufdrehzahl vo erreicht;
dieser Maximalwert beträgt genau ein Viertel der elektrischen Eingangsleistung im
Anlaßzeitpunkt. Es ist ferner zu beachten, daß der Wirkungsgrad ansteigt,wenn man
sich der Leerlaufdrehzahl nähert.
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Wie sich jedoch aus den Gleichungen (1), (2) und (3) bzw. aus F i
g. 1 ergibt, wird die Ausgangsleistung in der Nähe der Leerlaufdrehzahl v, im Vergleich
zur Eingangsleistung in der Nähe des Anlaßzeitpunkts des Motors sehr gering. Umgekehrt
ist die Eingangsleistung im Anlaßzeitpunkt im Vergleich zu der Ausgangsleistung
bei der Leerlaufdrehzahl sehr groß.
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Außerdem liegt ein Merkmal eines Nebenschlußgleichstrommotors darin,
daß durch Wahl der Nenndrehzahl in der Nähe der Leerlaufdrehzahl die Drehzahlschwankung
gering gehalten wird und der Wirkungsgrad auf einem großen Wert gehalten wird. Demzufolge
ist der Motor so ausgelegt, daß die Nenndrehzahl möglichst nahe bei der Leerlaufdrehzahl
liegt.
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Es ergibt sich aus den obigen beiden Gesichtspunkten, daß bei Anschluß
der Leistungsquelle der Spannung V an den Motor im Anlaßzeitpunkt nicht nur eine
große Belastung für die Leistungsquelle auftreten würde, sondern daß auch die Gefahr
bestehen würde, die Ankerwicklung durch Erhitzung bzw. Verbrennung zu schädigen.
Deshalb läßt man einen Motor 1 nach der üblichen Betriebsweise gemäß den F i g.
2 (a) und 2 (b) mit einem Ankerstrom an, der infolge Verwendung eines Reihenwiderstndes
2 in der Anlaßperiode einen vorgegebenen Wert nicht überschreiten kann. Dieser Reihenwiderstand
wird nach Erreichen der Nenndrehzahl kurzgeschlossen.
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Demnach ist es für einen Nebenschlußgleichstrommotor vorzuziehen,
die Begrenzung des Ankerstroms in der Weise einzurichten, daß der Widerstandswert
der Ankerwicklung im Anlaßzeitpunkt hoch ist, mit ansteigender Drehzahl abnimmt
und einen vorgegebenen Wert bei der Nennzahl erreicht.
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Wie außerdem bekannt ist, entspricht diesem Betriebsverhalten eines
Nebenschlußgleichstrommotors das Betriebsverhalten eines bürstenlosen Gleichstrommotors
der Art, wo die Rotorstellung nachgewiesen wird und die Drehung durch entsprechendes
Schalten von Polarität bzw. Größe des Ankerstroms entsprechend der nachgewiesenen
Rotorstellung aufrechterhalten wird, wie dies beispielsweise bei einem bürstenlosen
Gleichstrommotor der Fall ist, bei dem ein Hallgenerator als Rotorstellungsnachweiseinrichtung
benutzt ist. Folglich sind die verschiedenen Kennlinien eines derartigen bürstenlosen
Gleichstrommotors denjenigen eines Motors gemäß der Darstellung in F i g. 1 ähnlich.
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Der Grundgedanke einer Ausführungsform eines bekannten bürstenlosen
Gleichstrommotors dieser Art, wo ein Haugenerator benutzt ist, ergibt sich aus F
i g. 3. Die Drehung eines magnetischen Rotors 3 bewirkt einen Strom und eine EMK
E innerhalb der Ankerwicklung 4, wobei die EMK E im Verhältnis zur Drehzahl
groß wird. Die Vorspannung zwischen Kollektor und Emitter der jeweiligen Transistoren
Tr wird zu V - E und steht in umgekehrten Verhältnis zur Drehzahl. Auf der einen
Seite ist die Ausgangsspannung eines Hallgenerators 5, die an der Basiselektrode
anliegt, unabhängig von der Drehzahl konstant. Folglich erhält man folgende Gleichung,
die der Gleichung (1) gleich ist:
mit R als Ankerwiderstand.
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Folglich sind die Kennlinien eines bürstenlosen Gleichsstrommotors
mit einem Hallgenerator als Rotorstellungsnachweiseinrichtung den Kennlinien eines
Nebenschlußgleichsstrommotors genau gleich. Deshalb stellt es eine wesentliche Bedingung
für die Verwendung eines derartigen bürstenlosen Gleichstrommotors mit hohem Wirkungsgrad
und geringer Drehzahlschwankungen dar, daß der Strom auf irgendeine Weise begrenzt
wird. Außerdem muß man die Entmagnetisierung des Permanentmagnetrotors durch einen
hohen Ankerstrom, insbesondere im Fall eines bürstenlosen Gleichstrommotors, verhindern.
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In diesem Fall ergibt sich jedoch dadurch eine beträchtliche Schwierigkeit,
daß der oben beschriebene mechanische Steuerbetrieb unter Verwendung eines
Anlaßwiderstandes
wie bei einem Nebenschlußgleichstrommotor zu außerordentlichen Schwierigkeiten in
konstruktiver und betriebsmäßiger Hinsicht führt. Deshalb besteht ein dringendes
Bedürfnis für eine Schalteinrichtung zur Erzielung der genannten Begrenzung des
Stromes bürstenloser Motoren.
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Die vorliegende Erfindung schlägt die Schaffung eines bürstenlosen
Gleichstrommotors vor, der diesem Bedürfnis genügt.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung gemäß F i g. 4 sind identische
bzw. gekoppelte Rotoren 3 und 3a vorgesehen, die jeweils eine gleiche Anzahl von
Magnetpolen tragen. Ferner sind Ankerwicklungen 8 und 8a, ein bzw. eine Mehrzahl
von Hallgeneratoren 5, Verstärker 6 und 6a sowie eine weitere Nachweiseinrichtung
7 zum Nachweis von Rotorstellung und -geschwindigkeit, beispielsweise eine Nachweisspule,
vorhanden.
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Wie man aus F i g. 4 ersieht, ist die Ankerwicklung in zwei Teilwicklungen
geteilt. Die Teilwicklung 8 wird mit einem Ankerstrom Il gespeist, der durch Verstärkung
der Ausgangsspannung des Hallgenerators 5 mittels eines Verstärkers 6 unter Verwendung
von Schaltelementen, wie Transistoren, gewonnen wird. Die andere Teilwicklung 8a
wird durch einen Ankerstrom I2 gespeist, der dem Ausgang eines Verstärkers6a entnommen
wird, an dem als Eingangsspannung die Ausgangsspannung einer Rotorstellungsnachweisspule7
anliegt.
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Da ferner die Ausgangsspannung des Hallgenerators 5 unabhängig von
der Rotordrehzahl konstant ist, ändert sich in Abhängigkeit von der Drehzahl der
durch die Ankerteilwicklung 8 fließende Strom Il entsprechend der Kurve Il in F
i g. 5. Da andererseits die Größe der Ausgangsspannung der Stellungsnachweisspule
7 (ausgehend von Wert Null im Anlaßzeitpunkt) mit der Motordrehzahl ansteigt, ist
der Ankerstrom 12 der Teilwicklung 8a im Anlaßzeitpunkt des Motors Null und steigt
mit zunehmender Motordrehzahl bis zu einem bestimmten Drehzahlwert zwischen Null
und der Leerlaufdrehzahl vo an, wo der Verstärker 6a einen Sättigungszustand erreicht,
und wenn die Drehzahl weiter zunimmt, sinkt der Ankerstrom 12 gemäß der Kurve 12
in F i g. 5 ab.
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Folglich wird der Gesamtstrom (Il + 12) als Summe der Ströme Il und
12 in der Tat auf einen bestimmten Wert gemäß der Kurve I in F i g. 5 begrenzt.
Dieser Gesamteinfluß ist der Anlaßstrombegrenzung in einem Nebenschlußgleichstrommotor
gleichwertig.
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Somit ist die maximale Eingangsleistung (I, # V) in dem Fall, wo allein
der Verstärker 6 benutzt wird, und in dem Fall, wo zusätzlich der Verstärker 6a
benutzt wird, gleich, und außerdem steigt bei zusätzlicher Benutzung des Verstärkers
6a der Strom im Bereich vergleichsweise hoher Drehzahl an, so daß die mechanische
Ausgangsleistung sehr groß wird. Die Ursache hierfür ergibt sich aus den folgenden
Beziehungen: T=kll mit T als Drehmoment, I als Ankerstrom und k1 als
Konstante, Po=k2-T-v=kl-k2'l'v mit Po als mechanischer Ausgangsleistung, v als Motordrehzahl
und k2 als Konstante.
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Umgekehrt, wenn auch der Motor zur Aufnahme eines bestimmten Stromes
bei einer hohen Drehzahl in der Nähe der Leerlaufdrehzahl ausgelegt ist, damit die
gewünschte mechanische Ausgangsleistung (kl'k2-I-v) erzeugt wird, wird doch der
Strom bei geringen Drehzahlen begrenzt.
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Die Strom-Drehzahl-Kennlinie Il nach F i g. 5 kann mittels einer Rotorstellungsnachweiseinrichtung
zur Erzeugung eines Rotorstellungssignals, dessen Größe von der Motordrehzahl unabhängig
ist, und beispielsweise eines Gleichstromverstärkers erzeugt werden. Damit andererseits
der Ankerstrom bei einer vergleichsweise hohen Drehzahl einen Maximalwert erreicht,
kann die Steuerschaltung beispielsweise zwischen der Rotorstellungsnachweiseinrichtung
7 über einen Verstärker zu der Ankerteilwicklung 8a ausgelegt sein, daß sich jeweils
eine der drei folgenden grundsätzlichen Betriebsweisen ergibt: a) Die Betriebsweise,
wonach die Amplitude des Rotorstellungssignals der Nachweiseinrichtung 7 nach F
i g. 4 im Anlaßzeitpunkt einen Minimalwert annimmt bzw. verschwindet und mit der
Motordrehzahl ansteigt, gemäß Kurve (1) in F i g. 6 (a), oder in der Nähe des Anlaßzeitpunktes
sehr klein ist bzw. verschwindet und bei einem bestimmten Drehzahlwert sprunghaft
ansteigt, gemäß Kurve (2) in F i g. 6(a); b) die Betriebsweise, wonach der
Verstärkungsgrad des Verstärkers im Anlaßzeitpunkt einen Minimalwert hat bzw. verschwindet
und mit der Motordrehzahl ansteigt, gemäß Kurve (3) in F i g. 6(b), oder in der
Nähe des Anlaßzeitpunkts sehr klein ist bzw. verschwindet und bei einer bestimmten
Drehzahl sprunghaft ansteigt, gemäß Kurve (4)
in F i g. 6(b); c) die Betriebsweise,
wonach der Wert der Speisespannung der Verstärkerendstufe im Anlaßzeitpunkt einen
Minimalwert hat und mit zunehmender Motordrehzahl ansteigt, gemäß Kurve (5) in F
i g. 6 (c), oder im Anlaßzeitpunkt sehr klein ist bzw. verschwindet und bei einer
bestimmten Drehzahl sprunghaft ansteigt, gemäß Kurve (6) in F i g. 6(c).
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Diese Betriebsweisen können jeweils allein oder zu zweien oder dreien
kombiniert zur Anwendung kommen.
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Die Kennlinien der Kurve (1) in F i g. 6 (a) kann in dem Fall erhalten
werden, wo eine Spule als Rotorstellungsnachweiseinrichtung benutzt ist, wie oben
beschrieben und in F i g. 4 dargestellt ist. Die Kennlinie der Kurve (2) in F i
g. 6 (a) kann dadurch erhalten werden, daß man das Rotorstellungssignal !D beispielsweise
durch ein Hochpaßfilter schickt, das gemäß F i g. 7 (a) beispielsweise einen Kondensator
C und eine Spule L umfaßt.
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In F i g. 7(a) ist für den Verstärkerteil 6a ein Transistor Tr, gezeichnet,
doch an Stelle dieses einen Transistors kann man auch eine Mehrzahl von Transistorstufen
vorsehen. Wenn der Ausgangsstrom ID einer Schalteinrichtung, beispielsweise eines
Hallgenerators 5 a, zur Erzeugung einer konstanten, von der Drehzahl unabhängigen
Ausgangsspannung durch ein Hochpaßfilter 9 tritt, wird nur in einem vergleichsweise
hohen Drehzahlbereich ein Strom gemäß F i g. 7 (b) durchgelassen. Wenn dieser Strom
den Verstärkerteil
erregt, tritt bei einer bestimmten Drehzahl
eine Sättigung auf, und danach nimmt die Ausgangsspannung mit weiter zunehmender
Drehzahl ab; damit ergibt sich ein Ankerstrom 1z gemäß F i g. 7 (c).
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Sodann kann man die Kennlinie gemäß Kurve (3) in F i g. 6(b) beispielsweise
durch Einfügen eines Kondensators in die Eingangsstufe eines Gleichspannungsverstärkers
und durch Verminderung des Verstärkungsgrades im Niederfrequenzbereich erhalten.
Die Kennlinie gemäß Kurve (4) der F i g. 6(b) kann mittels eines schmalbandigen
Verstärkers erzielt werden.
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Die Kennlinie gemäß Kurve (5) in F i g. 6 (c) ergibt sich beispielsweise
durch Begrenzung der Speisespannung des Verstärkers entsprechend der Drehzahl, beispielsweise
mittels einer Schaltungsanordnung nach F i g. 8 (a), die eine Drehzahlnachweisspule
10, einen Transistor Tr4, eine Diode D, einen Kondensator C und einen Widerstand
R umfaßt. Wenn im einzelnen der Ausgangsstrom il einer Nachweiseinrichtung, beispielsweise
des Hallgenerators 5, der das Rotorstellungssignal mit konstanter, von der Drehzahl
unabhängiger Amplitude liefert, an dem Verstärker anliegt und der in der Drehzahlnachweisspule
10 induzierte Strom durch die Diode D tritt sowie in der aus einem Kondensator C
und einem Widerstand R bestehenden Glättungsschaltung geglättet wird, folgt der
Basisstrom 13 des Transistors Tr4 der in F i g. 8 (b) gezeigten Kennlinie. Deshalb
wird gemäß F i g. 8 (c) die Speisespannung Y4 des Verstärkers im Bereich niedriger
Drehzahlen v begrenzt und steigt mit zunehmender Drehzahl fortschreitend an.
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Die Kennlinie gemäß Kurve (6) in F i g. 6 (c) ergibt sich beispielsweise
durch eine Schaltung, wo zwischen den Verstärker und die Speisespannungsquelle nach
F i g. 9 (a) ein kontaktfreier Schalter, beispielsweise ein gesteuerter Siliziumgleichrichter
(SCR) 11, derart eingefügt ist, daß die in der Drehzahlnachweisspule 10 a
induzierte Spannung als Steuerspannung dient. Indem somit der gesteuerte Siliziumgleicbrichter
11 in seinen Einschaltzustand kommt, wenn mit ansteigender Rotordrehzahl die in
der Nachweisspule 10 a induzierte Spannung eine bestimmte Größe erreicht, werden
der Verstärker und die Leistungsquelle miteinander kurzgeschlossen, so daß nach
den F i g. 9 (b) und 9 (c) eine Speisespannung V4 an dem Verstärker anliegt.
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Es ist für den Fachmann selbstverständlich, daß die beschriebene Anordnungsweise
bei Motoren verschiedener Bauart anwendbar ist und daß ferner, worauf bereits hingewiesen,
keine Begrenzung hinsichtlich der Anzahl der Verstärker oder Ankerwicklungsteile
besteht.
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Wie man der vorstehenden Beschreibung entnimmt, schlägt die vorliegende
Erfindung einen bürstenlosen Gleichstrommotor vor, der für die Leistungsquelle oder
den Verstärker keine unzulässige hohe Belastung darstellt und bei dem man außerdem
die Gefahr ausschalten kann, daß die Temperatur der Ankerwicklung infolge eines
großen Stromes ansteigt oder eine Entmagnetisierung des Permanentmagneten erfolgt.
Da man außerdem die Nenndrehzahl in der Nähe der Leerlaufdrehzahl des erfindungsgemäßen
Motors wählen kann, ergeben sich die Vorzüge eines hohen Wirkungsgrades und einer
geringen Drehzahlschwankung, die ebenso wie die günstigen Kennlinien und die einfache
Konstruktion sehr erwünscht sind.
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Zusammenfassend ist die vorliegende Erfindung im wesentlichen in einem
bürstenlosen Gleichstrommotor zu sehen, dessen Ankerwicklung in mehrere Teilwicklungen
geteilt ist und bei dem in einer Teilwicklung ein Ankerstrom fließt, der in der
Nähe des Anlaßzeitpunktes einen Maximalwert hat und mit zunehmender Rotordrehzahl
abnimmt, wogegen ein Maximum des Ankerstromes einer anderen Teilwicklung bei einer
vergleichsweise hohen Drehzahl vorliegt, die nicht in der Nähe des Anlaßzeitpunktes
oder der Leerlaufdrehzahl liegt, so daß der Gesamtankerstrom in den Teilwicklungen
unterhalb eines bestimmten Wertes begrenzt werden kann.
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Selbstverständlich bezieht sich die vorstehende Offenbarung lediglich
auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung, und die Erfindung umfaßt alle Änderungen
und Abwandlungen der zum Zweck der Offenbarung ausgewählten Ausführungsbeispiele,
die nicht von dem Wesen und Grundgedanken der Erfindung abweichen.