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Gleichstrommotor mit über Transistoren gespeisten Ständerspulen und
polarisiertem Läufer Die Erfindung bezieht sich auf Gleichstrommotoren, deren Ständerspulen
über Transistoren gespeist werden und welche einen polarisierten Läufer aufweisen.
Bei derartigen Gleichstrommotoren ist der herkömmliche mechanische Kommutator durch
einen elektronischen Kommutator ersetzt. Die Basiskreise der Ständertransistoren
sind in Abhängigkeit von der jeweiligen Winkellage des polarisierten Läufers aus
einer gemeinsamen Steuervorrichtung mit Steuerspannungen beaufschlagbar. Die Steuervorrichtung
besteht aus einem Steuertransistor mit einer Ausgangsspule, welcher durch Rückkopplungsschaltung
erregt ist. Die Beaufschlagung der Basiskreise der Ständertransistoren geschieht
durch Veränderung der magnetischen Kopplung zwischen der Ausgangsspule des Steuertransistors
und Induktionsspulen, welche in den Basiskreisen der Ständertransistoren liegen.
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Es ist ein Gleichstrommotor mit polarisiertem Läufer bekanntgeworden,
bei welchem die Ständerspulen je mit einem die Kommutierung steuernden Speisetransistor
verbunden sind. Die Basisanschlüsse aller dieser Speisetransistoren werden dabei
von einem einzigen Oszillator beaufschlagt, dessen Frequenz groß gegen die Kommutierungsfrequenz
ist. Bei dieser bekannten Anordnung ist der Ausgang des Oszillators über mehrere
als Demodulationsschaltung wirkende Widerstände (induktiv oder kapazitiv) mit den
Basisanschlüssen der Speisetransistoren verbunden. Durch ein mit der Welle des Motors
umlaufendes, weichmagnetisches Steuersegment wird der Betrag dieser Widerstände
verändert, wodurch die Speisetransistoren auf- und zugesteuert werden, so daß jeweils
ein Transistor stromdurchlässig ist.
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Es sind weiterhin ein Uhrenantrieb mit einem elektronsichen Schwingungserzeuger
und ein mechanischer Schwinger bekanntgeworden, deren feststehende Erregerspulen
über Transistoren gespeist werden, deren Stromdurchlässigkeit von einem Steuertransistor
in Rückkopplungsschaltung überwacht ist. Im Rückkopplungskreis des Steuertransistors
beider bekannten Anordnungen ist ein Kondensator angeordnet, durch welchen die zum
Betrieb der Anordnungen erforderliche Rückkopplung gewährleistet werden soll.
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Bei einem außerdem bekanntgewordenen bürstenlosen Gleichstrommotor,
welcher wiederum über einen Transistor gespeist wird, ist die Stromdurchlässigkeit
dieses Speisetransistors zur Konstanthaltung der Motordrehzahl in Abhängigkeit von
der Fliehkraft kontaktlos regelbar. Mit dem Motor läuft ein in Reihe mit einer Spule
liegender Fliehkraftschalter um, welcher einen HF-Oszillator ein- und ausschaltet.
Dieses Ein- und Ausschalten des Oszillators geschieht dadurch, daß durch den Fliehkraftschalter
die in Reihe liegende Spule einmal kurzgeschlossen ist und einmal offen bleibt.
Wenn der Oszillator schwingt, ist der Speisetransistor stromundurchlässig, während
der Motor bei nicht schwingendem Oszillator seinen vollen Strom erhält.
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Es wurde auch ein Gleichstrommotor vorgeschlagen, bei welchem der
Strom der Ständerwicklung über Speiesetransistoren durch ein Rückkopplungssystem
gesteuert wird, indem ein mit dem Läufer fest verbundenes Bauteil durch- induktive
Kopplungsänderung zwischen zwei feststehenden, auf magnetisch leitenden Körpern
angeordneten Spulen die Stromdurchlässigkeit der Speisetransistoren in Abhängigkeit
von der Läuferstellung periodisch bestimmt. Zur Konstanthaltung der Motordrehzahl
ist das die induktive Kopplung herstellende Bauteil fliehkraftabhängig gelagert,
so daß der Luftspalt zwischen den beiden feststehenden Spulen in Abhängigkeit von
der Fliehkraft veränderlich ist.
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Alle erwähnten Motoren bzw. Anordnungen werden nicht, wie der klassische
Gleichstrommotor, mit mechanischem Kommutator betrieben, sondern die Erregerspulen
werden immer nur in einer Richtung von Strom durchflossen. Es ergibt sich dabei
der Nachteil, daß infolge der Streuung der verwendeten magnetischen Felder auch
diejenigen Spulen der Erregerwicklung von einem Reststrom durchflossen werden, welche
eigentlich stromlos sein sollten. Durch diesen geringen Reststrom wird dann ein
dem Drehmoment entgegenwirkendes Moment erzeugt, durch welches der Wirkungsgrad
der gesamten Anordnung gesenkt wird.
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Dieser Nachteil wird durch die Erfindung für einen Motor der eingangs
angegebenen Art dadurch vermieden, daß die die Basiskreise der Ständertransistoren
beaufschlagenden
Induktionsspulen mit dem über eine Diode an die Basis des jeweiligen Ständertransistors
gelegten Ende über je einen Rückkopplungswiderstand, vorzugsweise je einen Rückkopplungskondensator,
an die- Basis' des Steuertransistors angeschlossen sind = und daß der Rückkopplungswiderstand
so bemessen ist, daß er einen genügend hohen Basisstrom für die-Rückkopplung des
Steuertransistors durchläßt, jedoch zusammen mit der jeweiligen Diode als Sperre
für den Basisstrom der in Abhängigkeit von der Winkellage des Läufers jeweils nicht
zu beaufschlagenden Ständertransistoren wirkt. Es ergibt sich durch die Erfindung
der Vorteil, daß der Motor ein eindeutiges Drehmoment -erhält;-da immer nur über
die jeweils für das Drehmoment verantwortliche Ständerspule ein Strom fließen kann.
Der Wirkungsgrad des Motors wird demnach gegenüber den bekannten Anordnungen verbessert,
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt. In F i
g. 1 ist eine perspektivische Ansicht des Motors angegeben, während F i g. 2 ein
Schaltbild desselben zeigt.
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Das in: F i g.1 dargestellte Konstruktionsbeispiel ist selbstverständlich
nur eine der vielen möglichen konstruktiven Ausführungsformen. Beispielsweise können
die Achsen der Induktionsspulen 31 parallel zur Motorwelle verlaufen.
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Gemäß F i g. 1 ist auf der Motorwelle 16 der Dauermagnet 17 angebracht,
welcher entsprechend N-S magnetisiert ist. Im Ständer liegen die Spulen 1 bis 4.
Mit der Welle fest verbunden ist die Platte 18, welche den Magnetsteg 19 und den
Fliehkraftschalter 41 mit der ebenfalls umlaufenden Spule 27 trägt. Konzentrisch
zum Magnetsteg 19 liegen die Induktionsspulen 31 bis 34.
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In F i g. 2 sind der Einfachheit halber nur zwei Ständerwicklungen,
welche mit 1 bzw. 2 bezeichnet sind, dargestellt. Diese Wicklungen werden über Transistoren
11 bzw. 12 und den Schalter 6 aus der Stromquelle 5 gespeist. Die Spulen 1 bzw.
2 und die nicht dargestellten Spulen werden in Abhängigkeit von der gegenseitigen
Lage zwischen Läufer und Ständer vom Strom durchflossen. Die Einschaltung der Spulen
wird von einem gemeinsamen, ebenfalls feststehenden Steuertransistor 15 durchgeführt,
welcher mit einem im nachstehenden erläuterten Spulensystem in Rückkopplungsschaltung
liegt. Bevor diese Schaltung des näheren beschrieben wird, soll zunächst grundsätzlich
die Wirkungsweise der Schaltung der Ständerspulen erläutert werden. Im Basiskreis
des Ständertransistors 11 liegt eine Induktionsspule 31, welche, sobald ein Wechselfeld
in ihr induziert wird, über die Diode 21 Strom in einer Richtung durch den Basiskreis
des Transistors 11 sendet. Der Transistor wird leitend, so daß über den Schalter
6 aus der Stromquelle 5 ein Strom durch die Ständerspule 1 fließt. In ähnlicher
Weise werden die Transistoren der übrigen drei Ständerspulen 2, 3 und 4 durch die
Induktionsspulen 32, 33 und 34 i leitend gemacht, und die Ständerspulen erhalten
in der erforderlichen Reihenfolge, d. h. in Abhängigkeit von der jeweiligen Stellung
des Dauermagnetläufers, Strom.
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Die jeweilige Erregung der Induktionsspulen 31, t 32 usw. erfolgt,
wie bereits ausgeführt, in Abhängigkeit von der Läuferstellung. Mit der Läuferwelle
ist zu diesem Zweck ein Magnetsteg 19 fest verbunden, welcher gemäß der jeweiligen
Läuferstellung die entsprechende Induktionsspule magnetisch beaufschlagt, die Spule
erregt und damit die Speisung der dazugehörigen Ständerspule veranlaßt.
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In der dargestellten Lage steht der Magnetsteg 19
gerade der
Spule 31 gegenüber. Die Erregung der Spule 31 geschieht auf folgende Weise. Es sei
zunächst angenommen, der Schalter 6 ist geöffnet und der Magnetsteg steht in der
denkbar ungünstigsten Lage, nämlich genau zwischen zwei Induktionsspulen, z. B.
zwischen den Spulen 31 und 32. Um auch in dieser Stellung eine Wechselspannung in
mindestens eine der Induktionsspulen induzieren zu können, muß der Steg 19 einen
genügend großen Kreissektor einnehmen. Wird nun der Schalter 6 geschlossen, dann
ist eine Rückkopplungsschaltung zwischen dem Steuertransistor 15, der Steuerspule
25 und der jeweiligen Induktionsspule hergestellt, da diese Induktionsspulen über
jeweils einen der Kondensatoren 61, 62 usw. im Basiskreis des Transistors 15 liegen.
Im Emitterkreis des Transistors 15 liegt die Spule 25 in Reihe mit der Stromquelle
5. Die Spule 25 ist außerdem magnetisch über ihren Kern 37 und den rotierenden Magnetsteg
19 mit der jeweiligen Induktionsspule gekoppelt, in welcher dann eine Wechselspannung
induziert wird, wenn der Magnetsteg 19 ihr gerade gegenübersteht. Da die Basiskreise
der Ständertransistoren 11 und 12 von den Induktionsspulen beaufschlagt werden,
wird entsprechend der Läuferstellung eine der Ständerspulen von Strom durchflossen
und auf den Dauermagnetläufer 17 wird ein Drehmoment ausgeübt, durch welches dieser
in Bewegung gesetzt wird. Da durch den umlaufenden Magnetsteg 19 nur kurzzeitig
zwei Induktionsspulen induziert werden, nämlich nur für die Augenblicke des Wechsels
von einer Spule auf die andere, ist das erzeugte Drehmoment eindeutig. Während eine
Spule, z. B. die Spule 31, von Strom durchflossen wird, erhalten die restlichen
drei Spulen keinen Strom, und es kann daher von ihnen kein Drehmoment erzeugt werden.
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Die Sperrung der restlichen Spulen erfolgt durch die Kondensatoren
61, 62 usw. auf folgende Weise: Der Widerstand der Kondensatoren ist so hoch bemessen,
daß nur ein so geringer Wechselstrom über sie fließen kann, wie er gerade für die
Rückkopplung des Steuertransistors 15 ausreicht. Der Strom ist aber nicht groß genug,
um an den übrigen Kondensatoren eine Spannung zu erzeugen, welche die zugehörigen
Ständertransistoren über die Dioden 21, 22 usw. entsperrt. Es werden also bei vorliegender
Erfindung die jeder Ständerspule zugeordneten Induktionsspulen 31, 32 usw. als Rückkopplungsspulen
benutzt. Dies hat den Vorteil einer erheblich größeren Kontrastwirkung zwischen
Stromdurchfluß und Stromlosigkeit der Ständerspulen 1, 2 usw. Während nämlich die
gemeinsame Rückkopplungsspule bei der älteren Anordnung dauernd erregt ist, also
ihre Wirkung auf die Induktionsspulen auch dann erheblich ist, wenn der Magnetsteg
19 nicht in deren Nähe ist, wirkt die Induktion bei vorliegender Erfindung mit erheblich
verstärktem Anstieg (Kontrastwirkung), denn die Spulen 31, 32 usw. und damit der
ganze Rückkopplungskreis 15,25 haben in den Zwischenstellungen des Kernes
19 eine nur geringe Erregung. Die Erregung wächst sprunghaft, wenn sich der Kern
19 der Spule nähert, gleichzeitig wächst aber auch die induktive übertragung auf
dem
Magnetweg 37, 19, so daß eine besonders gute Kommutierung
erfolgt.
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Im Magnetpfad von 19 liegt eine mit diesem umlaufende Spule 27, welche
in Reihe mit dem Fliehkraftschalter 41 liegt. Der ohmsche Widerstand der Spule 2,7
und damit des gesamten Kreises des Fliehkraftschalters ist sehr niedrig, während
der Widerstand der Spule 25 verhältnismäßig hoch ist. Dadurch wird erreicht, daß
beim Erreichen einer Ansprechdrehzahl, bei welcher der Fliehkraftschalter 41 schließt,
dem Rückkopplungskreis 25, 31 durch die induktive Wirkung Energie entzogen wird.
Durch Schließen des Fliehkraftschalters 41 wird die Wicklung 27 kurzgeschlossen
und schickt die Kraftlinien in den Magnetpfad, welche den von der Spule 25 erzeugten
im wesentlichen entgegengesetzt laufen. Der Fluß im Magnetpfad wird erheblich geschwächt,
ohne daß eine angemessene Stromerhöhung aus der Stromquelle 5 diese Flußschwächung
kompensieren würde. Die in den Induktionsspulen 31, 32 usw. induzierte Wechselspannung
ist wesentlich kleiner als bei geöffnetem Fliehkraftschalter 41. Daraus folgt,
daß auch der über die Kondensatoren 61, 62 usw. fließende Strom erheblich verkleinert
wird. Er reicht dann nicht mehr dazu aus, um den Steuertransistor 15 rückzukoppeln,
so daß derselbe abgeschaltet wird und in den Induktionsspulen keine Spannung mehr
induziert wird. Beim Unterschreiten einer bestimmten Motordrehzahl öffnet der Fliehkraftschalter
wieder, und die Induktionsspulen erhalten wieder, in Abhängigkeit vom Magnetsteg
19, Spannung.
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Gemäß vorliegender Erfindung liegt die Spule 27 des Fliehkraftschalterkreises
zwischen den beiden durch Rückkopplung verbundenen Spulen 25 und 31. Hierdurch wird
die Streuung der Spule 27 gegenüber der Spule 25 herabgesetzt und der Energieentzug
aus dem Rückkopplungskreis beim Schließen des Fliehkraftschalters verstärkt. Die
Regelwirkung wird dadurch noch wirksamer gestaltet. Mit anderen Worten, der Fluß,
der die Primärspule 25 durchsetzt, wirkt nicht in gleich starkem Maß auf die andere
Rückkopplungsspule 31 bzw. 32 ein. Die Spule 31 wird von dem
kleinen Fluß durchsetzt, der im wesentlichen durch die Fliehkraftschalterspule 27
hindurch-Lyeht. gemeinsamen, durch Rückkopplungsschaltung erregten, aus einem Steuertransistor
mit Ausgangsspule aufgebauten Steuervorrichtung mit Steuerspannungen beaufschlagbar
sind, indem die magnetische Kopplung zwischen der Ausgangsspule des Steuertransistors
und Induktionsspulen in den Basiskreisen der Ständertransistoren in Abhängigkeit
von der Winkellage des polarisierten Läufers veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die die Basiskreise der Ständertransistoren (11,12) beaufschlagenden Induktionsspulen
(31, 32) mit dem über eine Diode (21, 22) an die Basis des jeweiligen Ständertransistors
(11,12) gelegten Ende über je einen Rückkopplungswiderstand, vorzugsweise je einen
Rückkopplungskondensator (61, 62), an die Basis des Steuertransistors (15) angeschlossen
sind und daß der Rückkopplungswiderstand so bemessen ist, daß er einen genügend
hohen Basisstrom für die Rückkopplung des Steuertransistors (15) durchläßt, jedoch
zusammen mit der jeweiligen Diode (21, 22) als Sperre für den Basisstrom der in
Abhängigkeit von der Winkellage des Läufers jeweils nicht zu beaufschlagenden Ständertransistoren
wirkt.
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2. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in
dem die Ausgangsspule (25) der Steuervorrichtung mit den Induktionsspulen der Ständertransistoren
koppelnden Magnetkreis eine weitere Spule (27) angeordnet ist, welche durch einen
Fliehkraftschalter (41) in sich kurzschließbar ist.
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3. Gleichstrommotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in
Reihe mit dem Fliehkraftschalter zwei Spulen angeordnet sind, von denen die eine
in der Nähe der Ausgangsspule (25) der Steuervorrichtung und die andere in der Nähe
der Induktionsspulen der Ständertransistoren angebracht ist. In Betracht gezogene
Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1060 327; französische Patentschriften
Nr. 1187 982, 1254 923; USA.-Patentschriften Nr. 2 829 324, 2 980 839; Bühler-Motor,
Hochfrequenzregelung für Gleichstrommotoren, Sonderdruck aus Grundig Technische
Informationen, Februar 1963, S. 519 bis 523.