DE1488508A1 - Gleichstrommotor und Drehmomenterzeuger ohne Buersten - Google Patents

Description

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Frankfurt/Mcdn-l Χχ\χ P?-V>-* 1488508

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General Electric Company, Schenectady, N.Y., U.S.A.

Gleichstrommotor und Drehmomenterzeuger ohne Bürsten

Die Erfindung bezieht sich auf Elektromotoren uri'd speziell auf einen Motor, der ohne einen mechanischen Kommutator aus

einer Gleichstromquelle gespeist werden kann. · ' Λ

Es ist an sich bekannt, für Motore steuerbare Siliziumgleichrichter als Schaltelemente und Hall-Generatoren als'Rotordrehwinkelgeber zu verwenden. Dabei werden die Hall-Generatoren von periodischen Stomimpulsen verhältnismäßig großer Amplitude gespeist und steuern ihrerseits entweder direkt oder mit Hilfe eines kleinen Impulstransformators steuerbare Siliziumgleichri clit er.

Die Gesamtzahl als Schaltelemente dienender steuerbarer Siliziumgleichrichter, die letztlich der Gesamtzahl der Kommutatorlamellen in einem Gleichstrommotor entspricht, ist begrenzt, um den Motor praktisch ausführbar zu machen. Somit kann ein ziemlich * abruptes Schalten des Ankerfeldes, vor allem eine stufenweise Änderung, nicht vermieden werden. So treten auch Änderungen im Drehmoment auf, während sich der Rotor um 360° dreht. Dies iat bei Schnellaufenden Motoren weniger wichtig, aber zur. Erzielung eines gleichmäßig stetigen Drehmoments unabhängig von der Rotorstellung, z.B. bei einigen Drehmomenterzeuggern mit festgehaltenem Rotor,wünschenswert. Im Hinblick auf eine Regelung der Dreh- j zahl und des Drehmoments erfordern Motoren dieser Art spezielle, ι steuerbare Leistungcveratärker, um die Speisespannung entspre- i chend den Betriebsbedingungen stetig zu ändern.

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Dengep-enüber wird gemäß der Erfindung ein bürstenloser Gleichstrommotor geschaffen, bei dem zwei Hall-Generatoren verwendet werden,'die Signale entsprechend der Winkelstellung eines Dauermagnetmotorrotors erzeugen und den den einzelnen Statorwicklungen augeführten Strom so steuern, daß das resultierende Drehmoment über einen üotor-Drehwinkelbereich von 360° konstant ist. Dies wird dadurch erreicht, daß die otröme durch um 90 gegeneinander versetzte Feldwicklungen bei entsprechender Phasenverschiebung der Ströme so geändert werden, daß der Betrag des resultierenden Statorfeldes konstant bleibt und eine konstante Winkellage in bezug auf den Rotor beibehält. Während sich der Rotor dreht, ändern sich die Signale des Hall-Generators sinusförmig und erzeugen Feldwicklungsströme, die sich entsprechend ändern. Die Vektorsumme des resultierenden Feldes ist ein rotierender Feldvekto? der sich mit dem Rotor dreht.

Die Erfindung wird nun auch anhand der beiliegenden Abbildungen ausführlich beschrieben, wobei alle aus der Beschreibung und den .Abbildungen hervorgehenden Einzelheiten oder Merkmale zur Lösung der Aufgabe im oinne der Erfindung beitragen können und mit dem Willen zur Patentierung in die Anmeldung aufgenommen wurden.

Pig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführung der Erfindung

fig. 2 und die Fig. 2a - 2d sind Darstellungen zur Illustration der Wirkungsweise des Motors von Pig. 1.

Pig. 3 ist eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführung der Erfindung.

In Pig. 1 sind zwei um 90° gegeneinander versetzte Feldwicklungen 11 und 12 in einem Stator, zur Erzeugung eines Drehmomentes an. einem Dauermagnetrotor 13,angeordnet. Der Rotor und die Wicklungen

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••lnd als Zweipolmotor dargestellt, es kbnnen aber auch mehrpolige Anordnungen verwendet werden, wie bei einem herkömmlichen Gleichstrom-Wechselstrommotor. Zwei ebenfalls um 90° gegeneinander versetzte Hall-Generatoren 14 und 15 sind jeweils einmal in festem Verhältnis zu den Statorwicklungen 11 und 12 und zum anderen In magnetischer Beziehung zu dem Dauermagnetrotor 13 so angeordnet, daß sich die von ihnen erfaßte Flußdichte in Abhängigkeit von der Winkelstellung 'des Rotors sinusförmig änv dert. Das der Winkelstellung entsprechende Signal wird linearen f Regelverstärkern 2! und 22, die etwa wie eine Brückenschaltung T aufgebaut sind, zugeführt. Beide Regelverstärker werden gemeinsam aus einer Gleichstomquelle 17 gespeist. Diese Verstärker t steuern den Strom durch die beiden Feldwicklungen 11 und 12 so, daß sich ein konstantes Drehmoment ergibt,dessen Betrag und· Richtung proportional der Ausgangsgröße einer äußeren Signalquel-.' . Ie 16 ist, die die Hall-Generatoren 14 und 15 speist. Mit kontantem Drehmoment ist gemeint, daß der Betrag des Drehmoments in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Rotors konstant ist. Der Augenblickswert dieses Drehmoments ist durch folgenden Ausdruck gegeben: ; . T ^ K»jip'F_A«3ln θ

\ mit T a auf den Rotor einwirkendes Drehmoment

.; ' K= eine Konstante

fL « Feld des Dauermagnetrotors F^ a resultierendes Ankerfeld Ό β Augenblickswert des Winkels zwis&en P, und 0j>

Wenn der Betrag von F. konstant gehalten wird und der Winkel θ

O 90 bleibt, let der Betrag des Drehmomentes unabhängig von der

Rotorstellung konstant und maximal.

In der in Fig. .1 dargestellten Rotorstellung ist die an den • Klemmen 24 des Hall-Generators 14 anstehende Au^gangsspannung null, während die Ausgangsspannung des H?11-Generotors 15 ihren

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BAP

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Maximalwert hat. Infolgedessen fließt kein Strom durch die Wicklung 11, während der Strom I₂ durch die Wicklung 12, der willkürlich als von _vlinks nach rechts zeigender Pfeil dargestellt ist, gerade seinen Maximalwert erreicht'hat. Es sei angenommen, ' daß ein Speisestrom I von der Signalquelle 16 durch die Hall-Elemente geschickt wird. Demzufolge wird dem Rotor 13 ein Drehmoment im Uhrzeigersinne erteilt, Sowie sich der Rotor im Uhrzeigersinn zu drehen beginnt, nimmt der Strom· I₂ ab, während der Strom I₁ in der durch den Pfeil angedeuteten Richtung all-·* mählich ansteigt. Die Ausgangsspannungen der Hall-Generatoren ändern sich im wesentlichen sinus- und cosinusförmig, während sich der Rotor 13 dreht, und das gl· iche gilt somit auch für die Ströme I₁ und Ip in den Feldwicklungen. Deshalb ist der resultierende Ankerfeldvektor P. dem Betrage nach konstant und gegenüber dem Rotorflußvektor ja_R immer um 90 versetzt.

In.Pig. .2 sind die vektoriellen-Verhältnisse zwischen dem Rotorfluß 0-n und dem resultierenden Ankerfeld F. bei sich drehendem ^ Rotor etwas ausführlicher dargestellt. Der Einfachheit halber ist der Rotor als einfacher Stabmagnet dargestellt. Die Vektoren P₁ und Po repräsentieren die Pelder der Feldwicklungen 11 und Das resultierende Ankerfeld P. ist die vektorielle Summe von P₁ und P₂. Der Hall-Generator 14 steuert den Strom in der P_fildwicklung 11, während der Hall-Generator 15 den der Wicklung 12 steuert. In der in Fig. 1 dargestellten Rotorstellung O sind die Hall-Spannungen der Hall-.Generatoren 14 und 15 durcb folgende Gleichungen gegeben: π τ*. sin^L*I

(bei Drehung im Uhrzeigersinn)

fitjB. cos^L · Ι_χ

Mit Rg = Hall-Konstante

■.'·■'' B = Maximalwert der die Hall-Generatoren durchdringenden Flußdichte _009808/0

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et = Winkelstellung des Rotors in bezug auf den Hall-Generator

I = der durch die Hall-Generatoren fließende Speisestrom (T = Dicke des Hall-Generatorelementgs

Die Ströme in den Feldwicklungen 11 und 12 sind gegeben durch:

I_I = G'Vtt und I₉ = G'V_W
.1 H₄ 2 H₅

Mit G =» Verstärkung der REgelverstärker. Sowohl die Verstärkungen der Verstärker 21 und 22 als auch die Hall-Kons-franten der Hall-Generatoren 14 und 15 sind einander gleich.

Wenn sich der Rotor in der Winkelstellung 0 befindet (fig. 2a), hat Fp seinen Maximalwerit erreicht und F₁ ist gleich null. Das resultierende Ankerfeld F. ist nach Betrag und Richtung gleüi diesem Maximalwert von Pp. Während sich der Rotor 13 im Uhrejaigersinne weiterdreht, nimmt der Betrag von F₁ sinusförmig zu und erreicht seinen Maximalwert, wenn die Rotorwinkelstellung A·= 90° ist, und wird wieder null bei der Rotorstellung λ = '180 . Gleichzeitig nimmt F₂ cosinusförmig ab, geht durch null und kehrt seine Richtung um, wenn die Rotorwinkelstellung durch 90 geht. Bei einer Rotorwinkelstellung von 180° erreicht Fg wieder einen Maximalwert (Fig. 2c). Ähnlich erreicht der Betrag von P₁ ein Maximum bei 270°, während sich der Rotor von 180° nach , 0 dreht, und kehrt bei einer Rotorstellung von 360° = 0° wieder nach null zurück, während sich der Betrag von Pg gleichzeitig cosinusförmig vone inem Maximum auf null und wieder zurück auf ein Maximum ändert. In den Fig. 2b und 2d sind zwei willkürlich gewählte Zwischenstellungen gezeigt. In jedem Augenblick ist der Betrag von F^ konstant und die öifchga- Richtung von P senkrecht zu jZL. Um die Drehrichtung zu ändern, braucht ledig- i

JrL Ix ■ ,

lieh die Richtung des Speisestroms Iy der Hall-Generatoren umgekehrt zu werden. Innerhalb des linearen QJeüs der Kennlinien der Regelverstärker 21 und 22 ist der Betrag des Drehmomentes direkt proportional dem otrom I_v. Eine Erörterung dieser V*rstärker wird nicht für nötig erachtet, da deren prinzipielle j Wirkungsweise bereits in vielen Vorveröffentlichungen beschrieben ist. ^l

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Pig. 3 zeigt eine Schaltung, mit der sich eine bessere Linearität des Drehmoments in Abhängigkeit von dem Strom/im Vergleich zu dem Schema von Pig. 1 ergibt. Jeder Hall-Generator 34 und 35 gibt eine Spannung ab, die eine Punktion der 3tellung des Rotors 33 ist. In der Schaltung von Pig. 3 werden d iese Spannungen jeweils in Vorverstärkern 43 und 44 verstärkt. An Widerständen 38 und 39 werden den-Peldwicklungsströmen proportionale Spannungen abgegriffen und über die Vorverstärker 43 und 44 zurückgekoppelt. Gleichzeitig werden von diesen Spannungen in den Vorverstärkern 43 und 44 die Hall-Generatorspannungen subtrahiert und die verstärkten Differenzsignale den Regelverstärkern 41 und 42 zugeführt, welche die Ströme in den Peldwicklungen 31 und 32 so steuern, daß der Winkel θ konstant bleibt. Ein aus einer Gleichstromquelle 37 gespeister Inverter 40 (in Pig. 3) ist ein kleiner,herkömmlicher "Hoyer-Inverter", der die Vorverstärker mit Strom versorgt und die Zerhacker-Prequenz der Regelverstärker 41 und 42 bestimmt. Me Brehmoment-Borelizahl-Kennlinie des bürstenlosen Motors, wie in Fig. 1 gezeigt, entspricht der eines Gleichstrom-Hebenschlußmotors. Die Schaltung von Pig. 3 ermöglicht eine Beschleunigung des Motors unter der Last bei konstantem Drehmoment, was häufig verlangt wird.

Der MOtor wirkt praktisch wie ein Zweiphasen-Synchronmotor. Dies ist gemäß der Erfindung eine Kombination e ines Gleichstrommotors und eines Synchronmotors. Bei Erreichen der sogenannten Synchrondrehzahl können die von den Hall-Generatoren 14 und 15 oder im Palle der Pig. 3 die von den Vorverstärkern 43 und 44 gelieferten Signale abgeschaltet werden und die Steuerverstärker von einem Signal mit starrer Prequenz, die der Synshrondrehzahl entspricht, angetrieben werden. Der Rotor wird dann von dem rotierenden Drehfeld "mitgenommen", das von der zweiphasigen Wicklungsanordnung erzeugt wird. Lediglich ein kleiner Winkeluntersc^vied zwischen . dem Ankerfeldvektor P. und dem Hotorfeldvektor #_R, dessen Betrag von dem belastenden Drehmoment abhängt, wird sieh wie bei jedem ·

BAD ORIGINAL

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nerkönBlichen Synchronmotor einstellen..Eine Rückkehr zum Gleichstronaotorbetrieb ist möglich, wenn Drehmoment und Drehzahl wieder Ton den Hall-Generatoren gesteuert werden. Dieses Umschalten Ton einer Betriebsart in die andere kann auch unter alleiniger Verwendung von Festkörperbauelementen erreicht werden.

In beiden Ausführungen, sowohl in'der nach Pig. 1 als auch in der nach Pig. 3, werden R^eI verstärker (21 und 22, 41 und 42) verwendet. Diese Hegelverstärker haben die Wirkung von linearen Verstärkern, welche die Statorwicklungen mit Strom versorgen. Deshalb gibt es an hl reiche Verstärker, die dafür verwendeifwerden können. Jedoch werden zerhackerstabilisierte Regelverstärker (tine ratio control amplifiers) bevorzugt, vor allem weil sie einen sehr viel besseren Wirkungsgrad als herkömmliche Halbleiter- und 'Röhrenverstärker haben. Diese Regelverstärker Bind auch deshalb besonders gut hierfür geeignet, weil es sich um * induktive Lasten handelt und die Eingangssignale dieser Regelverstärker potentialfrei sind.

In beiden Ausführungen werden ein Dauermagnet als Rotor und Hall-Generatoren zur Erzeugung einer sich sinus- und cosinusförmig in Abhängigkeit von der Rotorstellung ändernden Eingangsspannung der Rejelverstärker verwendet. Damit sich der Rotor möglichst kontinuierlich dreht, raus»st» sich auch 5.ie Ströme in den Feldwicklungen möglichst sinusförmig und stetig mit der RotorstelluT-g ändern. Hall-Generatoren cind dafür bestens goci~- net, weil sie keine Bürsten benötigen, mit dem Rotor nicht in reibender Berührung stehen und neben der Erfassung der Rotorstellung gleichzeitig die gewünschte Sintis funkt ion ergeben. Andere Vorrichtungen,3.B. Sättigung fähige Induktionsspulen oder piiotoelektrisohc Bauelemente, sind zur Zeit noch zn groß und zu lcompliziert, us in eines Gleichstrommotor und DrehmomenterzQyLger prelrtisch verwendet zu werften. Als Hall-Seneratoren können flache Typen aus In«*ium-Antimoniö o*er Indium-A

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• verwendet werden. Bevorzugt werden aber Hall-Generatoren mit einer dünnen Schicht aus Indium-Arsenid auf einer Perrit-unterlege, um den JPluß zu konzentrieren. Diese haben einen besseren Wirkungsgrad und geringere Wärmeverluste. Die Hall-Generatoren werden vorzugsweise in Statorschlitzen im Magnetfluß-Rückstromkreis des Rotors untergebracht und mit Kunstharz befestigt. Die Temperaturabhängigkeit wird durch Anlegen einer starren Spannung und nicht durch Einprägen eines konstanten Stromes

· weitgehend reduziert. Obwohl in beiden Pig. 1 und 3 ein einziger Dauermagnetrotor gezeigt ist, kann ein gesonderter Rotor für die Hall-Generatoren verwendet werden, wenn es gewünscht wird. Die Ausgangsgröße der Hall-Generatoren hängt natürlich von den speisenden Signalen aus den Signalquellen 16 und 36 in den Pig. 1 und 3 ab. Ein besonderes Merkmal der Erfindung ist die Einfachheit dieser Anordnung,durch die das Drehmoment ^ dieses Gleichstrommotors und Drehmomenterzeugers nach Betrag und Richtung von einem Gleichstrom- oder Wechselstromeingangssignal gesteuert wird.Bei einem herkömmliohen Gleichstrom-Steuersignal -Generator wird das Gleichstromsignal den in Reihe" oder parallel geschalteten Hall-Generatoren zugeführt, so daß

• die Wirkungsweise unabhängig von dem Augenblickswert der Rotorstellung ist.

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Claims (4)

1. "⁹" U88508

   Patentansprüche

   i.jAus einer Gleichstromquelle gespeister Elektromotor mit

   Lnem Stator und einem Rotor, dadurch' gekennz e i c h ne t , daß der Rotor (13) entgegengesetzt magnetische Pole (N, S) hat, der Stator mit mindestens zwei um 90° gegeneinander versetzten Feldwicklungen (11,12)' versehen ist, die so auf dem Stator angeordnet sind, daß ihr Magnetfeld in dem Rotor (13) ein Drehmoment erzeugt, zwischen jede Feldwicklung (11,12) und die Gleichstromquelle (17) einer von Regelverstärkern (21,22) mit einer Eingangssteuervorrichtnng geschaltet ist, die den Feldwicklungsströmen (I.., I₂) entsprechend einem den EingangsSteuervorrichtungen zugeführten Sign I einen sinusförmigen Verlauf geben, zwei um 90° gegeneinander versetzte Hall-Generatoren (14,15) als Flußmesser für den Rotorfluß in dem Stator angebracht sind, eine Signalquelle (16) mit den Hall-Generatoren (14,15) verbunden ist, aus der die Hall-Generatoren gespeist werden und deren Strom das Drehmoment des Motors bestimmt, und daß jeder Hall-Generator (14,15) ausgangsseitig an eine der Eingangssteuervorrichtungen angeschlossen ist, so daß jeder ein Signal zugeführt wird, das sich in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Rotors sinusförmig ändert, und zwar so, daß d£e vektorielle Summe der durch die Feldwicklungen (11,12) erzeugtenJFlüsse dem Betrage nach konstant i3t und dieser resultierende Feldvektpr ή?.) immer einen konstanten Winkelabstand gegenüber den Magnetpolen des Rotors (13) h&t.
2. 2. Gleichstrommotor und Drehmomentgeber nac-h Anspruch 1, ^> dadurch gekennzeichnet,' daß Stromistwertgeber (38,39) der Ströme in den Feldwicklungen und die Ausgänge der Hall-Generatoren jeweils über Vorverstärker (44,43) mit den .Jteuerverstärkern (42,43) verbunden sind, und zwar je- · weils ein Meßgeber, ein Hall-Generator, ein Vorverstärker und ein Regelverstärker in einem Kreis, um den Winkel zwischen der

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   , Rotorstellung und dem resultierenden ieldvektor (**) konstant ' zu halten.
3. 3. Motor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Drehmoment des Motors dem von der Signalquelle (16,36) an die Hall-Generatoren gelieferten Speisestrom proportional ist und durch die Rückführung (Rückkopplung) der Feldwicklungsströme (i -Ig) nach Vergleich mit den entsprechenden Hall-Generatorausgangsspannungen in Abhängigkeit von der Drehzahl des Motors konstant bleibt.
4. 4. Motor nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Hall-G_en,ratoren (H, 15) in Statorschlitzen im Magnetkreis des Rotofeldes {0τ>) angebracht sind.

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