DE1277993B - Gleichstromgespeister Kleinstmotor mit elektronischer Kommutierungseinrichtung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H02k

Deutsche Kl.: 21 dl - 39

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

P 12 77 993.0-32 (S 94112)

10. November 1964

19. September 1968

Die elektromotorischen Antriebe spielen in der gesamten Technik eine immer bedeutendere Rolle, weil sie den einzelnen technologischen Bedingungen bestens angepaßt werden können. Für jede Aufgabe kann aus der Vielzahl der bereits existierenden elektromotorischen Antriebsarten die passende Ausführung gewählt werden. Für Aufgaben der Steuerung und Regelung oder für Fälle, in welchen ein in weiten Grenzen drehzahlregelbarer Antrieb erforderlich ist, wird dem Gleichstrommotor der Vorzug gegeben. Seitdem die Halbleitertechnik immer bessere und billigere Schaltelemente zur Verfügung stellt, ist das Problem in den Vordergrund gerückt, den Kommutator mit seinen Nachteilen (Verschleiß, Bürstenfeuer, Wartungsbedarf) durch kontaktlose Anordnungen zu ersetzen. Hierbei ergeben sich in der Wahl der Halbleiterart und der Steuermittel Differenzierungen, die von der Größe der Antriebe und vom Anwendungsz#eck abhängig sind. Beispielsweise bietet sich für große Gleichstrommotoren die Verwendung von Thyristoren an, die mit Hilfe von Hallgeneratoren gesteuert werden. Es gibt bereits Thyristoren, die Sperr- und Kippspannungen bis zu 1500 Volt haben und Ströme bis über 400 A schalten können. Die Verluste an den Thyristoren sind gering, weil sie nur die Zustände »sperrend« und »durchlässig« kennen. Mit Hilfe der Hallgeneratoren läßt sich eine Steuerung aufbauen, welche die Zündung der einzelnen Thyristoren zu ganz genau vorgegebenen Drehwinkeln ermöglicht. Für kleine und kleinste Gleichstrommotoren ist der Steueraufwand mit Hallgeneratoren zu aufwendig. Außerdem benötigen die Hallgeneratoren Steuerströme, die bereitgestellt werden müssen. Ferner muß die Hallspannung verstärkt werden.

Ferner sind gleichstromgespeiste Kleinstmotoren mit permanentmagnetischem Läufer und elektronischer Kommutierungseinrichtung bekannt, die zur Steuerung fotoelektrische, induktive oder kapazitive Geber aufweisen, welche mit dem Läufer mechanisch gekuppelt sind.

Es wurde auch bereits vorgeschlagen, zur Steuerung einer elektronischen Kommutierungseinrichtung niignetf eidabhängige Widerstände zu benutzen. Diese haben gegenüber den Hallspannungserzeugern den Vorteil, daß sie keine Steuerspannung benötigen und bei Unterbringung im Luftspalt von kleinen und klöfasten Gleichstrommotoren eine ausreichende Indujktion vorliegt, um bei ihnen verwertbare Wideretandsänderungen hervorzurufen. Beim Gegenstand eines älteren Patentes handelt es sich um eine Gleichstrommaschine mit vier im Ständer angeordneten Wicklungen, die von einer elektronischen Kommu-

Gleichstromgespeister Kleinstmotor mit
elektronischer Kommutierungseinrichtung

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München, 8520 Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Ing. Erich Krestel, 8520 Erlangen

tiereinrichtung gespeist werden. Zur Steuerung der elektronischen Kommutiereinrichtung sind im Bereich des Rotors zwei um 90° versetzte magnetfeldabhängige Widerstände angeordnet, die mit zwei normalen Widerständen zu einer gleichstromgespeisten Brücke

so verbunden sind. Die Kommutiereinrichtung selbst enthält eine bistabile Kippstufe und ein nachgeschaltetes Register, deren Ausgangssignale über Und-Gatter und Endverstärker den Strom für die Motorwicklungen steuern.

as Bei einem · anderen älteren Vorschlag ist jeder Phasenwicklung einer in Stern geschalteten Mehrphasenwicklung im Ständer ein magnetfeldabhängiger Widerstand in Reihe mit einem ohmschen Widerstand zugeordnet und der Mittelpunkt dieser Reihenschaltung mit der Basis eines den steuerbaren Halbleiter bildenden Transistors verbunden, in dessen Emitter-Kollektor-Kreis die dem magnetfeldabhängigen Widerstand zugeordnete Phasenwicklung liegt. Es hat sich gezeigt, daß eine derartige Schaltungsanordnung sehr temperaturempfindlich ist. Wenn z. B. die Temperatur steigt, kann der sehr temperaturempfindliche magnetfeldabhängige Widerstand bis über die Hälfte seines Widerstandswertes absinken, so daß die an der Basis-Emitter-Strecke abfallende Spannung wesentlich ansteigt und der Transsitor offen bleiben kann, weil der Schwellwert nicht unterschritten wird.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich ebenfalls auf einen gleichstromgespeisten Kleinstmotor mit pennanentmagnetischem Läufer und elektronischer Kommutierungseinrichtung, die mittels vom Rotor beeinflußter Steuerglieder gesteuert wird, bei dem eine in Stern geschaltete Mehrphasenwicklung im Ständer über steuerbare Halbleiter gespeist wird, jeder Phasenwicklung ein magnetfeldabhängiger Widerstand in Reihe mit einem ohmschen Widerstand zugeordnet ist und der Mittelpunkt dieser Reihen-

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schaltung mit der Basis eines den steuerbaren Halb- wucht kann auch durch andere an sich bekannte

leiter bildenden Transistors verbunden ist, in dessen Maßnahmen, beispielsweise durch Einbohren von

Emitter-Kollektor-Kreis die dem magnetfeldabhän- Löchern oder Anbringen von Zusatzgewichten be-

gigen Widerstand zugeordnete Phasenwicklung liegt. seitigt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen 5 Die Feldscheiben ändern ihren Widerstand magnet-

solchen Motor derart weiterzubilden, daß er unab- feldabhängig entsprechend der Charakteristik in

hängig von Temperaturschwankungen mit Sicherheit Fig. 3. Wird die Feldplatte von einem Magnetfeld

betrieben werden kann. in der einen oder anderen Richtung durchsetzt, dann

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch ist ihr Widerstand groß. Führen keine Feldlinien gelöst, daß die den einen Zweig einer Brücke bildende io durch die Feldplatte hindurch, dann ist ihr WiderReihenschaltung aus dem magnetfeldabhängigen und stand klein. Man kann Widerstandsänderungen von dem ohmschen Widerstand an einem den zweiten über 10:1 erzielen.

Zweig der Brücke bildenden Spannungsteiler liegt, Die Wirkungsweise der Steuerung und des gesamten

dessen Mittelpunkt mit dem Emitter des zugeordneten kontaktlosen Gleichstrommotors wird an Hand der

Transistors verbunden ist. Dadurch, daß die Basis- 15 F i g. 1 erläutert.

Emitter-Strecke des zu steuernden Halbleiters in dem Beim Aufschalten der Spannung XJ, welche mit Nullzweig der Brücke liegt, werden ein sicheres ihrem positiven Potential am Sternpunkt der Ankeröffnen und ein sicheres Sperren auch unabhängig wicklung und mit dem negativen Potential an den von der Umgebungstemperatur gewährleistet. Emittern der Transistoren I, II und III liegt, möge

An Hand der Zeichnungen, in welchen mehrere 20 der Läufer die in F i g. 1 gezeigte Lage einnehmen. Ausführungsbeispiele dargestellt sind, wird die Er- Die Feldplatten B und C werden nicht vom Magnetfindung näher erläutert. Es zeigt feld durchsetzt, weil sie in dieser Läuferlage nahe

F i g. 1 das Prinzip des kontaktlosen Gleichstrom- der Läuferaussparung und der neutralen Läuferzone

motors, liegen. Ihr Widerstand ist somit klein. Durch die

F i g. 2 eine Vorder- und Seitenansicht des Perma- 25 Feldplatte A geht jedoch Magnetfeld hindurch. Ihr

nentmagnetläufers, Widerstand ist groß. Der Widerstand R₀ und der

F i g. 3 die Abhängigkeit des Feldplattenwider- Widerstand der Feldscheibe A bilden einen Spanstandes von der Induktion, nungsteiler. Die Basis des Transistors I liegt an der

Fig. 4 die Widerstandsänderung in den magnet- Verbindungsstelle der beiden WiderständeR₀ und A.

feldabhängigen Widerständen bei einer Drehung des 30 Diese beiden Widerstände und die zwei Spannungs-

Permanentmagnetläuf ers, quellen U und U_v (Vorspannung) bilden eine Brücke,

F i g. 5 die Ankerdurchflutung in Abhängigkeit von in deren Nullzweig sich die Basis-Emitter-Strecke des

der Läuferstellung, Transistors I befindet. Da der Widerstand A bei der

F i g. 6 die Speisung der Einrichtung nach F i g. 1 dargestellten Lage groß ist, liegt nun das Basispoten-

aus nur einer Batterie über einen Spannungsteiler, 35 tial des npn-Transistors höher als dasjenige des

F i g. 7 die Speisung der Einrichtung nach F i g. 1 Emitters. Es fließt Strom in die Basis hinein und

über einen Transformator mit zwei Sekundärwick- öffnet den Transistor I. Für die Transistoren II und III

lungen, liegen analoge Verhältnisse vor. Da dort die Wider-

F i g. 8 die Speisung der Einrichtung nach F i g. 1 stände B und C bei der gezeichneten Läuferlage klein

über einen Wechselrichter, 40 sind, fließt je ein Strom in die Emitter hinein und

Fig. 9 die Drehzahlregelung bei Speisung über hält diese Transistoren zu.
einen Spannungsteiler, Es fließt somit ein Strom durch die Wicklung 1

Fig. 10 die Drehzahlregelung bei Speisung über und den Transistor I, und es bildet sich eine Ankereinen Wechselrichter. durchflutung 0_X mit der eingezeichneten Lage aus.

Der in F i g. 1 dargestellte kontaktlose Gleichstrom- 45 Die Windungen der Wicklung 1 liegen zweckmäßiger-

motor hat eine in Stern geschaltete Dreiphasenwick- weise so auf dem Ankerumfang verteilt, daß sich die

lung, deren einzelne Wicklungen mit 1, 2 und 3 be- Spulenachse in Richtung des Zeigers Θ_χ befindet. Da

zeichnet sind. Mit 4 ist ein zweipoliger Permanent- das Drehmoment proportional dem Produkt aus

magnetläufer bezeichnet. Die Pole des radialmagneti- O₁ · Φ und dem Sinus des eingeschlossenen Winkels ψ

sierten Läufers sind mit N und S bezeichnet. Die 50 ist, also

freien Enden der Wicklungen 1, 2 und 3 sind an die M ~ Θ · Φ · sin φ,

Kollektoren der drei Schalttransistoren I, II und III

angeschlossen. Die drehwinkelabhängige Steuerung _{ü t das maximale Moment bei =} » _vor. _{Nach dem} der drei Transistoren bewirken drei magnetfeldab- ²
hängige Widerstände, die mit A, B und C bezeichnet 55 Kraftwirkungsgesetz erfolgt eine Krafteinwirkung auf sind. Sie sind im Luftspalt des Motors untergebracht. die stromdurchflossenen Stäbe der Wicklung 1. Wegen Vorzugsweise wird man sie in entsprechende Ver- Aktion gleich Reaktion wird der Läufer abgestoßen tiefungen des Ständers einkleben. Als magnetfeld- und in rechtsdrehende Bewegung versetzt. Das heißt, abhängige Widerstände eignen sich insbesondere die der Läuferfluß versucht in die Parallellage zur vorsogenannten Feldscheiben oder Corbinoscheiben und 60 eilenden Ankerdurchflutung O₁ zu gelangen. Um die Feldplatten, deren zwei Elektroden im Mittelpunkt weiteren Vorgänge verfolgen zu können, ist der bzw. am Umfang angeordnet sind. In F i g. 3 ist die Ankerumfang mit Gradeinteilungen und der Läufer Abhängigkeit des Widerstandes der Feldplatten von mit einer Markierung versehen. Sobald die Läuferder Induktion dargestellt. Das Ende des Läufers 4 markierung von 0° in Richtung auf 60° wandert, ist, wie aus F i g. 2 ersichtlich ist, abgeschrägt. Damit 65 wird die Feldplatte A von weniger Magnetfluß durchkeine Unwucht auftritt, ist auf der anderen Seite des setzt. Ihr Widerstand nimmt gemäß der in F i g. 4 Läufers eine genau gleiche, jedoch um 180° versetzte oben gezeichneten Kurve ab. Gleichzeitig aber steigt Aussparung angebracht. Die Beseitigung der Un- der Widerstand der Feldplatte B an.

Bei der in F i g. 4 angedeuteten Höhe der Vorspannung U_v sind also beim Durchwandern der Markierung durch den Bereich um 60° sowohl der Transistor I als auch der Transistor II geöffnet. Die resultierende Durchflutung Θ₁₂ der beiden Wicklungen 1 und 2 befindet sich in der in F i g. 5 gezeichneten Lage. Liegt die Läufermarkierung bei 120°, dann wird nur der Transistor II offengehalten. Danach öffnet auch der Transistor III. Für eine Umdrehung ergeben sich somit sechs Pulsungen, bei welchen die gesamte Ankerdurchflutung jeweils um einen Schritt von 60° weiterrückt. Der Flußzeiger erreicht somit die Parallelität zum Ankerdurchflutungszeiger nie, weil letzterer immer weiter voreilt.

Wie sich an sich leicht beweisen läßt, wird eine Änderung der Drehzahl des Motors dadurch erreicht, daß die Spannung U verändert wird. Mit dieser Spannung muß aber auch die Vorspannung Uy im selben Verhältnis geändert werden. Das wird bei einer Ausführung gemäß F i g. 6 dadurch erreicht, daß die Einspeisung aus einer Batterie oder Spannungsquelle über einen Spannungsteiler 5 erfolgt. Oder die Einspeisung erfolgt gemäß F i g. 7 über einen Transformator Tr, der primärseitig Anzapfungen 13 aufweist und sekundärseitig mit zwei Wicklungen 6 und 7 ausgestattet ist. Über Gleichrichter 8 bzw. 10 werden die Gleichspannungen U und U_v gewonnen. Kondensatoren 11 und 12 dienen der Glättung.

Bei dem in F i g. 8 dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Speisung der Kommutiereinrichtung wiederum über einen Transformator Tr und nicht näher bezeichnete Gleichrichter. Primärseitig wird der Transformator Tr nicht von einem Wechselstromnetz wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 gespeist, sondern von einer an sich bekannten Wechselrichterschaltung, die allgemein mit 14 bezeichnet ist. Durch Änderung der angelegten Spannung U_B wird eine proportionale Änderung der Spannungen U und Uy auf der Sekundärseite des Transformators Tr erzeugt.

Die Umkehr der Motordrehrichtung erfolgt durch Umklemmen oder Umschalten der Motorwicklungen, so daß jeweils das Wicklungsende, welches zum Sternpunkt führte, zum Transistor geht und umgekehrt. Dadurch kehrt die in F i g. 1 gezeichnete Durchflutung Q₁ die Richtung um 180° um. Da die Außendurchflutung dem Magnetfluß stets voreilt, rotiert der Läufer nun linksdrehend.

In vielen Fällen besteht die Forderung nach konstanter Drehzahl unabhängig von der augenblicklichen Größe der Batteriespannung, welche dem Ladezustand entspricht, und unabhängig von der Belastung. Zur Konstanthaltung der Drehzahl ist ein Transistor 15 gemäß F i g. 9 vorgesehen, der im Zuge der Stromleitung zwischen Batterie und Motor liegt. Beim Einschalten erhält er Basisstrom über den Widerstand 18 und öffnet. Seine Emitter-Basis-Strecke befindet sich im Nullzweig einer Brücke 16, in deren Zweigen sich eine ZenerdiodeZ und drei Widerstände A₁, A₂ und R₃ befinden. An einer der Motorwicklungen wird die vom Permanentmagnetläufer während des Laufs induzierte EMK mit einem Transformator 17 abgegriffen, gleichgerichtet und geglättet. Die Gleichspannung der mit 19 bezeichneten Anordnung führt auf die Brücke 16. Dort wird die der Drehzahl proportionale EMK mit der Zenerspannung verglichen, und es fließt infolge der Brückenanordnung entweder ein öffnender oder sperrender Basisstrom durch den Transistor 15. Die Größe der konstant zu haltenden Drehzahl kann mit Hilfe des Brückenwiderstandes R₁ eingestellt werden.
F i g. 10 zeigt eine Anordnung entsprechend F i g. 9 bei Verwendung einer Schaltung entsprechend F i g. 8.

Claims (13)

Patentansprüche:

1. Gleichstromgespeister Kleinstmotor mit permanentmagnetischem Läufer und elektronischer Kommutierungseinrichtung, die mittels vom Rotor beeinflußter Steuerglieder gesteuert wird, bei dem eine in Stern geschaltete Mehrphasenwicklung im Ständer über steuerbare Halbleiter gespeist wird, jeder Phasenwicklung ein magnetfeldabhängiger Widerstand in Reihe mit einem ohmschen Widerstand zugeordnet ist und der Mittelpunkt dieser Reihenschaltung mit der Basis eines den steuerbaren Halbleiter bildenden Transistors verbunden

ao ist, in dessen Emitter-Kollektor-Kreis die dem magnetfeldabhängigen Widerstand zugeordnete Phasenwicklung liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die den einen Zweig einer Brücke bildende Reihenschaltung aus dem magnetfeldabhängigen (A, B bzw. C) und dem ohmschen Widerstand (R₀) an einem den zweiten Zweig der Brücke bildenden Spannungsteiler liegt, dessen Mittelpunkt mit dem Emitter des zugeordneten Transistors (I, II bzw. III) verbunden ist.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler durch zwei hintereinandergeschaltete Gleichspannungsquellen (U, Uy) gebildet ist.

3. Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetfeldabhängigen Widerstände (A, B, C) im Luftspalt zwischen Ständer und Läufer angeordnet sind sowie der als Permanentmagnetläufer ausgebildete Rotor (4) zweipolig ausgebildet ist und an der den magnetfeldabhängigen Widerständen (Λ, B, C) gegenüberliegenden Zone des einen Pols eine Aussparung von solcher Größe aufweist, daß zumindest im Bereich einer Polteilung kein Einfluß auf die magnetfeldabhängigen Widerstände (A, B, C) ausgeübt wird.

4. Motor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetfeldabhängigen Widerstände (A, B, C) in entsprechenden Vertiefungen des Ständers am Luftspalt angeordnet, insbesondere eingeklebt sind.

5. Motor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnseiten des Läufers (4) auf einer Seite jeden Pols abgeschrägt sind.

6. Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschrägung bei einer Sehne mit einem Zentriwinkel von etwa 120° beginnt.

7. Motor nach Anspruch 3, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß Vorkehrungen getroffen sind, durch die die Aussparung keine Unwucht im Läufer erzeugt.

8. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Drehzahlsteuerung die Spannungen beider Gleichspannungsquellen (U, U_v) im gleichen Verhältnis veränderbar sind.

9. Motor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisung der Gleichstrombrücke über einen Transformator (Tr) erfolgt, der zwei mit Gleichrichter (8, 12) beschaltete Sekundär-

wicklungen (6, 7) für die beiden Spannungen aufweist.

10. Motor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisung des Transformators (TV) von einem Wechselrichter (14) erfolgt.

11. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl mit Hilfe eines dem Motor vorgeschalteten Zusatztransistors (15), welcher bei Ansteuerung die über den Spannungsteiler gelieferte Motorspannung ändert, steuerbar ist.

12. Motor nach Anspruch 11 mit konstanter Drehzahl, dadurch gekennzeichnet, daß zur Konstanthaltung der Drehzahl die Steuerstrecke des Zusatztransistors (15) im Nullzweig einer Zusatzbrücke liegt, die aus einer Zenerdiode (Z) und drei ohmschen Widerständen besteht, und die

Zusatzbrücke an einer der Motor-EMK, also der Drehzahl, proportionalen Spannung liegt, die zur Potentialtrennung über einen Transformator von einer Motorwicklung abgenommen und anschließend gleichgerichtet und geglättet wird.

13. Motor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Widerstände (R) der Zusatzbrücke zur Einstellung einer bestimmten konstanten Drehzahl verstellbar ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 1 037 579;
deutsche Auslegeschrift Nr. 1168 549;
schweizerische Patentschrift Nr. 375 422.

In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsches Patent Nr. 1 240 980.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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