DE1488677B2

DE1488677B2 - Kollektorloser gleichstrommotor mit einem permanentmagnetischen rotor und einer mehrphasigen staenderwicklung mit zwei teilwicklungen in mittelpunktschaltung

Info

Publication number: DE1488677B2
Application number: DE19651488677
Authority: DE
Inventors: Erich 4100 Duisburg-Grossenbaum Rainer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1965-06-16
Filing date: 1965-06-16
Publication date: 1973-04-12
Also published as: DE1488677C3; CH446502A; NL6606373A; GB1127206A; DE1488677A1

Description

U- ug(oc, n)

Jw — · KX)

Rw

35

U bedeutet die Versorgungsspannung, u_g (oc, n) die Gegenspannung, von der Winkelstellung oc des Läufers und von der Drehzahl η abhängig.

Die Verluste N_v in den Wicklungen sind dann
Die Erfindung bezieht sich auf einen kollektorlosen 4°

Gleichstrommotor mit einem permanentmagnetischen _AT r 2 ρ (^ ^Μ»(^α> ^η)² /ό\
Rotor und einer mehrphasigen Standerwicklung mit r_w
jeweils zwei Teilwicklungen pro Phase in Mittelpunktschaltung, bei der die stromführenden Teilwicklungen Die momentan abgegebene mechanische Leistung N_a der einzelnen Phasen in Abhängigkeit von dem Rotor- 45 ist aber dem Produkt aus Gegenspannung und Wickerregerfeld gesteuerter Transistoren derart in Reihe an lungsstrom proportional,
eine Gleichspannungsquelle geschaltet sind, daß die
vom Rotorerregerfeld in den in Reihe liegenden Teilwicklungen induzierte Spannung der Spannung der Aus den Gleichungen (2) und (3) sieht man, daß bei Gleichspannungsquelle bei einer Stromführungsdauer 50 Gegenspannung u_g = 0 die abgegebene Leistung N_a von 180° elektrisch immer entgegengerichtet ist. Ein = 0 ist, aber die Verluste in den Wicklungen ihren derartiger kollektorloser Gleichstrommotor ist aus der Höchstwert erreichen.

britischen Patentschrift 926 099 bekannt. Motoren Genaue Rechnungen zeigen, daß bei sinusförmigem dieser Art weisen einen sehr guten Wirkungsgrad auf, Verlauf der Gegenspannung der Stromflußwinkel bei der vergleichbar ist mit dem einer Kollektormaschine, 55 den einzelnen Ventilen höchstens 120° el betragen denn bekanntlich hängt der Wirkungsgrad von Gleich- darf, wenn man erhebliche Wirkungsgradverminstrommaschinen wesentlich vom Widerstand der An- derungen und unzulässig hohe Wicklungsströme verkerwicklungen und der Welligkeit der vom Motor meiden möchte.

durch die Drehung erzeugten Gegenspannung ab. Bei Eine 120"-Steuerung der Ventile mit Hallgeneratoren dem bekannten kollektorlosen Gleichstrommotor er- 60 erfordert aber eine auf die Motorwelle gesetzte Steuerfolgt die Ansteuerung der einzelnen Transistoren über scheibe. Es ist also hier die vorteilhafte Ansteuerung einen mechanischen Kollektor in Verbindung mit den der Hallgeneratoren durch das Feld im Luftspalt der Teilwicklungen zugeordneten Steuerspulen. Ferner Maschine nicht möglich.

müssen besondere Vorkehrungen getroffen sein, damit Aufgabe der Erfindung ist es, einen kollektorlosen der Motor auch bei geringen Drehzahlen läuft und 65 Gleichstrommotor zu schaffen, der bei hohem Wirüberhaupt aus dem Stillstand anläuft. kungsgrad und sicherem Anlauf eine sehr einfache Damit der Motor aus dem Stillstand mit Sicherheit Schaltung aufweist, wobei der Aufwand an elektronianlaufen kann, werden beim kollektorlosen Motor ge- sehen Teilen minimal ist. Diese Aufgabe wird bei einem

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kollektorlosen Gleichstrommotor der eingangs genannten Art nach der Erfindung dadurch gelöst, daß bei einer zweiphasigen Ständerwicklung die Mittelpunkte der beiden Phasen unmittelbar miteinander verbunden sind, daß jeweils an den freien Enden der Teilwicklungen jeder Phase der Kollektor eines Transistors angeschlossen ist, daß die Emitter der zu einer Phase gehörigen Transistoren an einem Pol der Betriebsgleichspannung liegen, daß die Basen der zu einer Phase gehörenden Transistoren über die Hall-Spannungsanschlüsse eines Hallgenerators miteinander verbunden sind und daß die Hallgeneratoien mit je einem Steueranschluß über einen Widerstand miteinander verbunden sind. Der erfindungsgemäße Motor weist also die Vorteile des Motors nach der britischen Patentschrift 926 099 auf, wobei jedoch der Aufwand für die Ansteuerung der Halbleiterschalter ganz wesentlich herabgesetzt wird, wobei auf zusätzliche Mittel zur Erzielung eines Selbstanlaufes verzichtet werden kann. Gegenüber dem durch die französische Patentschrift 1 320 563 bekanntgewordenen Motor unterscheidet sich der erfindungsgemäße durch den erheblich besseren Wirkungsgrad, wie zuvor ausführlich erläutert worden ist.

Im nachfolgenden soll die Erfindung an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles noch mehr erläutert werden. Es zeigt:

F i g. 1 in einer schematischen Darstellung einen kollektorlosen Gleichstrommotor mit einer Zweiphasenwicklung in Mittelpunktschaltung,

F i g. 2 in einer schematischen Darstellung den zeitlichen Verlauf der induzierten Gegenspannungen gegenüber der angelegten Betriebsgleichspannung bei einem kollektorlosen Gleichstrommotor gemäß F i g. 1.

In F i g. 1 ist ein Gleichstrommotor dargestellt, dessen Ankerwicklung aus einer Zweiphasenwicklung mit Mittelpunktschaltung ausgeführt ist. Mit 1 und 2 sind die Teilwicklungen der einen Phase und mit 3 und 4 die Teilwicklungen der anderen Phase bezeichnet. Die Mittelpunkte sind bei 12 und 13 angedeutet. Durch die Bezugsziffern 5, 6, 7 und 8 sind Schalttransistoren, durch 9 und 10 Hallgeneratoren und durch 11 ein Widerstand dargestellt. Mit U ist die angelegte Betriebsgleichspannung bezeichnet.

Wie aus der Figur ersichtlich ist, sind die Mittelpunkte 12 und 13 der Zweiphasenwicklung miteinander verbunden. Am freien Ende jeder der Teilwicklungen 1, 2, 3 und 4 ist der Kollektor eines Transistors angeschlossen. Die Emitter der zu einer Phase gehörenden Transistoren liegen an einem Pol der Betriebsgleichspannung U. Die Basen der zu einer Phase gehörenden Transistoren 5, 6 bzw. 7, 8 sind über die Hallelektroden der Hallgeneratoren 9 und 10 miteinander verbunden. Die Hallgeneratoren sind mit je einer Steuerelektrode an einen Widerstand 11 angeschlossen.

Die beiden Hallgeneratoren 9 und 10 liegen um 90° el gegeneinander versetzt im Luftspalt des Gleichstrommotors. Die Steuerfelder der beiden Hallgeneratoren und damit die Spannungen an den Hallelektroden sind daher auch um 90°el gegeneinander versetzt. Die Polung der Ausgangsspannung der Hallgeneratoren ist derart, daß die Transistoren eines jeden Systems entsprechend der gewünschten Drehrichtung des Läufers wechselweise über je eine volle Halbwelle der induzierten Gegenspannung u_g aufgesteuert werden. Die Ansteuerung erfolgt in einer Weise, daß immer diejenige Teilwicklung Strom führen kann, deren induzierte Spannung der angelegten Betriebsgleichspannung U entgegengerichtet ist.

F i g. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Gegenspannungen der einzelnen Systeme und deren Summenspannung, die der angelegten Betriebsgleichspannung U entgegenwirkt, eines kollektorlosen Gleichstrommotors gemäß F i g. 1. Auf der Abszisse ist die Zeit t und auf der Ordinate die Gegenspannung u_g aufgetragen. Die Kurve 21 zeigt den zeitlichen Verlauf der in der Teilwicklung 1 induzierten Gegenspannung u_gi, Kurve 22 zeigt den zeitlichen Verlauf der in der Teilwicklung 2 induzierten Gegenspannung u_g2, Kurve 23 zeigt den zeitlichen Verlauf der in der Teilwicklung 3 induzierten Gegenspannung u_g3, Kurve 24 zeigt den zeitlichen Verlauf der in der Teilwicklung 4 induzierten Gegenspannung u_gi. Durch die Kurve 25 wird der zeitliche Verlauf der Summenspannung u_g dargestellt. Die Summenspannung u_g setzt sich in dem Bereich α aus der Summe u_gi + u_g3, im Bereich b aus der Summe u_gi + u_gi, im Bereich c aus der Summe u_g2 + u_gi, im Bereich d aus der Summe u_g2 + %₃, im Bereich e aus der Summe u_gi + u_gs und im Bereich / aus der Summe u_gi + u_gi zusammen. Mit I und II sind die Umschaltpunkte der Systeme bezeichnet. Die Kurve 26 zeigt den Verlauf der Hallspannung des Hallgenerators 10 und Kurve 27 den Verlauf der Hallspannung des Hallgenerators 9.

F i g. 2 läßt erkennen, daß bei der erfindungsgemäßen Anordnung der einzelnen Ankersysteme die induzierte Gegenspannung u_g des Motors trotz der 180^c-Steuerung der Transistoren niemals den Wert Null erreichen kann. Der zeitliche Verlauf der Gegenspannung u_g der Maschine entspricht einer 90^c-Steuerung der Transistoren bei parallelgeschalteten Wicklungssystemen, wobei die einzelnen Teilwicklungen dann nur von <x = 45°el bis « = 135°el Strom führen dürfen. Weiterhin kann man in F i g. 2 die Schaltfolge der Transistoren erkennen. Die einzelnen Teilwicklungen führen nach dem Schema: 1-3, 1—4, 2-4, 2-3 Strom. Die Schaltfolge der entsprechenden Transistoren ist dann: 5-7, 5-8, 6-8, 6-7.

Weiterhin zeigt F i g. 2, daß die einzelnen Teilwicklungen der Systeme I bzw. II während des Nulldurchganges der steuernden Hallspannung den vollen Strom führen müssen, wenn der Motor den bestmöglichen Wirkungsgrad haben soll. Erfindungsgemäß wird dies durch den Widerstand 11 in F i g. 1 zwischen den Steuerelektroden der beiden Hallgeneratoren 9 und 10 gewährleistet. Der Strom durch den Widerstand 11 fließt vom Pluspol sich aufteilend über die Emitter und Basen der Transistoren 7 und 8 in die Hallelektroden vom Hallgenerator 10. Die beiden Basisteilströme fließen dann als Summe über die Steuerelektrode in den Widerstand 11 und von diesem dann in die Steuerelektrode der Hallsonde 9. Der Summenstrom teilt sich dann schließlich wieder über die Hallelektroden der Sonde 9 auf die beiden Basen der Transistoren 5 und 6 auf. Durch entsprechende Bemessung des Widerstandes 11 kann die Schwellspannung der Basis-Emitter-Strecke der Transistoren kompensiert werden.

Rechnungen haben gezeigt, daß der durch die Hallsonde erzeugte Basissteuerstrom, der sich dem über den Widerstand 11 vorgegebenen Anteil überlagert, nur durch die Hallspannung und den differentiellen Innenwiderstand des Steuerkreises gegeben ist, aber nicht von der Schwellspannung der Basis-Emitter-Strecke der Transistoren abhängt. Da die Spannung

der Hallsonde und die Schwellspannungen zwischen derungen der Schwellspannungen infolge Tempera-Basis und Emitter der Transistoren verhältnismäßig turschwankungen auf die Empfindlichkeit und Nullklein gegen die Betnebsgleichspannung U sind, kann punktsgüte der Steuerung praktisch keinen Einfluß der Strom durch den Widerstand 11 praktisch als ein- haben. Dieses ist weiterhin ein wesentlicher Vorteil des geprägt betrachtet werden. Dieses bedeutet, daß An- 5 erfindungsgemäßen Motors.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

J 2

maß der Erfindung zur Ansteuerung der Teilwicklun-

Patentanspruch: gen Hallgeneratoren verwendet. Dies ist an sich eben

falls bekannt. Bei einer bekannten Ausführung dieser

Kollektorloser Gleichstrommotor mit einem Art (»Electronics«, April 1962, S. 58) ist jeder Teilpermanentmagnetischen Rotor und einer mehr- 5 wicklung ein Hallgenerator zugeordnet, der gegenphasigen Ständerwicklung mit jeweils zwei Teil- über seiner Wicklung um 90° el versetzt ist. Bei Mowicklungen pro Phase in Mittelpunktschaltung, bei toren mit größerer Leistung werden an Stelle von der die stromführenden Teil wicklungen der einzel- Transistoren Thyristoren verwendet; dann reicht aber nen Phasen in Abhängigkeit von dem Rotor- die Hallspannung zur Ansteuerung dieser nicht mehr erregerfeld gesteuerter Transistoren derart in Reihe io aus, so daß die Hallspannung vorerst noch verstärkt an eine Gleichspannungsquelle geschaltet sind, daß werden muß. Zur Einsparung von Hallgeneratoren ist die vom Rotorerregerfeld in den in Reihe liegenden es hierbei bekannt, zwei Teilwicklungen von einem Teilwicklungen induzierte Spannung der Spannung Hallgenerator ansteuern zu lassen. Bei einer anderen der Gleichspannungsquelle bei einer Stromfüh- bekannten Ausführung dieser Art (französische Parungsdauer von 180° elektrisch immer entgegen- 15 tentschrift 1 320 563) sind die Hallelektroden der Hallgerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, generatoren mit den Basen der zu einer bistabilen daß bei einer zweiphasigen Ständerwicklung die Kippschaltung verbundenen Transistoren verbunden. Mittelpunkte der beiden Phasen (I; II) unmittelbar Die Ansteuerung der einander zugeordneten Teilmiteinander verbunden sind, daß jeweils an den wicklungen einer Phase erfolgt hierbei derart, daß die freien Enden der Teilwicklungen (1 bis 4) jeder 20 beiden Teilwicklungen im Gegentakt arbeiten. Hierbei Phase (I; II) der Kollektor eines Transistors (5 bis sind die mehrphasigen Ständerwicklungen parallel ge-8) angeschlossen ist, daß die Emitter der zu einer schaltet und liegen an einer gemeinsamen Versor-Phase (I; II) gehörigen Transistoren (5, 6; 7, 8) an gungsspannung. Die Ansteuerung der Teilwicklungen einem Pol der Betriebsgleichspannung (U) liegen, wird hierbei derart vorgenommen, daß der Stromflußdaß die Basen der zu einer Phase (I; II) gehörenden 25 Winkel der einzelnen Halbleiterschalter etwa 180° el Transistoren (5, 6; 7, 8) über die Hallspannungs- ist. Dies ist aber sehr nachteilig, da in den Spannungsanschlüsse eines Hallgenerators (9, 10) mitein- nulldurchgängen der Gegenspannung der Strom durch ander verbunden sind und daß die Hallgeneratoren die Wicklung nur durch deren ohmschem Widerstand mit je einem Steueranschluß über einen Wider- begrenzt wird.

stand (11) miteinander verbunden sind. 30 Der Strom J_w durch eine Wicklung ist durch die

Beziehung gegeben: