DE2012571C3 - Kollektorloser Gleichstrommotor - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen koilektorlosen Gleichstrommotor mit einer feststehenden mehrpoligen Ankerwicklung mit mehreren Wicklungssträngen, die von einer Gleichspannungsquelle über eine Transistor-Steuerschaltung gespeist sind, welche aus einer der Anzahl der Wicklungsstränge gleichen Zahl zu einer geschlossenen Kette verbundener gleicher Steuerstufen besteht, die jeweils einen ihrem Eingang parallel geschalteten Kondensator, einen Vortransistor und einen den Stromfluß durch den zugehörigen Wicklungsstrang steuernden Leistungstransistor aufweisen und die über zwei Gruppen von je Gruppe untereinander gleichen, von Gruppe zu Gruppe unterschiedlichen RC-Gliedern miteinander verkoppelt sind, von denen die RC-Glieder der einen Gruppe den Ausgang jeder Steuerstufe mit dem Eingang der folgenden Steuerstufe verbinden.

Bei einem aus der DE-AS 12 93 320 bekannten derartigen Motor finden als Vor- und Leistungstransistoren jeweils gleichartige Transistoren Verwendung.

Dieser bekannte Gleichstrommotor hat gegenüber anderen bekannten kollektorlosen Gleichstrommotoren den erheblichen Vorzug, daß es stets in einer vorbestimmten Richtung umläuft Dabei wird nach dem Anlaufen ein stationärer Zustand dann erreicht, wenn die in den Wicklungssträngen induzierte Gegenspannung ausreicht, um die Steuerstufen entsprechend anzusteuern.

Bei diesem vorbekannten Gleichstrommotor wird dabei der stationäre Zustand erreicht, wenn die induzierte Gegenspannung wenigstens der Summe der zur Ansteuerung der beiden Transistoren einer Stufe erforderlichen Basisspannungen entspricht Es handelt sich dabei um einen verhältnismäßig hohen Wert, weshalb für den sogenannten »Hochlauf« des Motors ein relativ großer Zeitabschnitt erforderlich ist Dies ist aber insbesondere bei Verwendung derartiger Gleichstrommotoren zum Antrieb von Tonbandgeräten o. dgl. nachteilig, da es in diesen Fällen darauf ankommt, möglichst rasch die gewünschte Drehzahl zu erreichen. Ein weiterer Nachteil des bekannten Motors ist darin zu sehen, daß es ohne besondere aufwendige schaltungstechnische Maßnahmen nicht möglich ist, ihn bei Betriebsspannungen von mehr als etwa 8 Volt zu verwenden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Steuerschaltung des Motors derart auszubilden, daß ein rascher Hochlauf gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die in Emitterschaltung betriebenen Transistoren jeder Steuerstufe zueinander komplementär sind und daß die RC-Glieder der anderen Gruppen den Ausgang jeder Steuerstufe mit dem Eingang der gleichen Steuerstufe verbinden.

Bei dieser Ausbildung der Steuerschaltung für den Gleichstrommotor wird der stationäre Zustand bereits dann erreicht, wenn die in den Wicklungssträngen induzierte Gegenspannung so hoch ist, daß sie die zur Ansteuerung des Vortransistors einer Steuerstufe erforderliche Emitter-Basis-Spannung übersteigt. Dieser Wert ist verhältnismäßig rasch erreichbar, wodurch ein schneller Hochlauf des Motors nach der Erfindung gewährleistet ist. Da bei der erfindungsgemäßen Zuordnung der Transistoren eine Phasendrehung von 180° stattfindet, wird bei Rückkopplung des Ausgangs einer Steuerstufe auf den Eingang ebenfalls ein Umlauf des Motor-Ankers im gewünschten Sinne erreicht. Ein weiterer Vorzug der Verwendung komplementärer Transistoren besteht darin, daß der Gleichstrommotor ohne weiteres auch für den Betrieb mit höherer Spannung ausgelegt werden kann.

Vorteilhafterweise sind nach der Erfindung die Leistungstransistoren npn-Transistoren. Derartige Transistoren sind meist auf Silizium-Basis aufgebaut, weshalb sie besonders hoch belastbar sind.

Eine Vereinfachung der Steuerschaltung sowie eine Einsparung von Bauelementen ist dann möglich, wenn, wie nach der Erfindung weiter vorgesehen, jeweils die RC-Glieder einen gemeinsamen Kondensator haben. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, daß die parallel zum Eingang der Steuerstufen angeordneten Kondensatoren zwischen Basis und Emitter der Vortransistoren angeordnet sind.

Schließlich können in Weiterbildung des Erfindungsg.dankens die parallel zum Eingang der Steuerstufen

angeordneten Kondensatoren an eine gemeinsame Leitung gelegt sein. Diese Leitung ist — direkt oder über einen Widerstand — bevorzugt mit einem Pol der Gleichspannungsquelle verbunden. Ist ai'erdings ein zusätzlicher Regelkreis für die Drehzahl oddgL vorhanden, so kann die Leitung auch mit dem Ausgang des Verstärkergliedes, z. B. Transistors, dieses Kreises verbunden werden.

In Verbindung mit der Zeichnung soll nachfolgend eine Ausführungsform der Steuerschaltung eines erfindungsgemäben Motors näher erläutert werden.

Die Ständerwicklung des Motors weist drei Wicklungsstränge 1,2,3 auf, die in nicht dargestellter Weise, einer DrehstromwickJung entsprechend, um jeweils 120° gegeneinander über den Umfang des Gleichstrommotors versetzt angeordnet sind. Die Wicklungsstränge 1, 2, 3 sind in Sternschaltung verbunden und ihr Sternpunkt an den Pluspol 4 einer Gleichspannungsquelle gelegt

Jeder Wicklungsstrang 1, 2, 3 liegt jeweils im Kollektorzweig eines Leistungstransistors 5, 6, 7, von denen jedem ein Vortransistor 8,9,10 zugeordnet ist

Die Leistungstransistoren 5,6,7 und Vortransistoren 8, 9, 10 jeder Stufe sind zueinander komplementär. Beispielsweise sind beim dargestellten Ausführungsbeispiel die Leistungstransistoren 5,6,7 npn-Transistoren, während es sich bei den Voriransistoren 8, 9, 10 um pnp-Transistoren handelt Die Kollektoren der Vortransistoren 8, 9, 10 sind jeweils mit der Basis der zugehörigen Leistungstransistoren S, 6,7 verbunden.

Die Emitter sämtlicher Leistungstransistoren 5, 6, 7 sind untereinander verbunden und an den Minuspol IiI der Gleichspannungsquelle gelegt. Die Emitter der Vortransistoren 8, 9,10 sind miteinander und über den Widerstand 12 mit dem Kollektor eines Transistors 13 einer zur Stabilisierung der Drehzahl dienenden Regelstufe 14 verbunden. Die Basis der Vortransistoren 8, 9, 10 steht jeweils über einen Widerstand 15, 16, 17 mit dem Minuspol 11 der Gleichspannungsquell¹, und somit dem Emitter des zugehörigen Leistungstransistors S, 6,7 in Verbindung.

Zwischen Emitter und Basis jedes Vortransistors 8,9, 10 ist ein Kondensator 18, 19, 20 eingeschaltet. Die Emitter der Vortransistoren 8, 9, 10 und die entsprechenden Enden der Kondensatoren 18, 19, 20 sind an eine gemeinsame Leitung 36 gelegt. Die Leitung 36 ist beim gezeigten Ausführungsbeispiel über den Widerstand 12 mit eiern Kollektor des Transistors 13 verbunden. Es wäre aber auch möglich, die Leitung 36 direkt an den Pol 4 der Gleichspannungsquelle so anzuschließen. Dann müßten aber bei Vorhandensein der Regelstufe 14 die Emitter der Vortransistoren 8, 9, 10 getrennt von der Leitung 36 über einen gemeinsamen Widerstand oder jeweils eigene Widerstände mit dem Transistor 13 verbunden werden.

Schließlich ist die Basis jedes Vortransistors 8, 9, IDi mit einem weiteren Kondensator 21, 22, 23 verbunden, welcher seinerseits über einen Widerstand 24,25,26 mit dem Kollektor des jeweils zugehörigen Leisiungstransistors 5,6,7 und über einen weiteren Widerstand 27,28, 29 mit dem Kollektor eines anderen der Leistungstransistoren 5,6,7 in Verbindung steht.

Jeweils ein Leistungstransistor 5, 6, 7 bildet zusammen mit dem zugehörigen Vortransistor 8, 9, 1Oi und den oben erwähnten Kondensatoren und Widerständen jeweils eine als Verstärker wirkende Steuerstufe 37, 38, 39. Dabei sind die Steuerstufen 37, 38, 39 untereinander jeweils etwa gleich.

Der Ausgang jeder der Steuerstufen 37, 38, 39 ist jeweils über zwei RC-Glieder unterschiedlicher Bemessung mit dem Eingang der gleichen Steuerstufe und dem Eingang der nächsten Steuerstufe verbunden. So ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Ausgang der Steutrstufe 37 über das von dem Widerstand 24 und dem Kondensator 21 gebildete RC-GIied mit dem Eingang der Steuerstufe 37, d.h. mit der Basis des Vortransistors 8 verbunden. Außerdem ist der Ausgang der Steuerstufe 37, d. h. der Kollektor des Leistungstransistors 5 über den Widerstand 28 und den Kondensator 22 als RC-Glied mit der Basis des Vortransistors 9 der Steuerstufe 38 verbunden. Entsprechend ist der Kollektor des Leistungstransistors 6 der Steuerstufe 38 über den Widerstand 25 und den Kondensator 22 mit der öasis des Vortransistors 9 und über den Widerstand 29 und den Kondensator 23 mit der Basis des Vortransistors 10 der Steuerstufe 39 verbunden. Schließlich steht der Kollektor des Leistungstransistors 7 der Steuerstufe 39 über den Widerstand 26 und den Kondensator 23 als RC-Glied mit der Basis des Vortransistors 10 der Steuerstufe 39 und über den Widerstand 27 und den Kondensator 21 mit der Basis des Vortransistors 8 der Steuerstufe 37 in Verbindung.

Die Steuerstufen sind also durch die RC-Glieder zu einer geschlossenen Ringschaltung verbunden. Dabei ist jeweils zwei RC-Glieder ein gemeinsamer Kondensator, nämlich einer der Kondensatoren 21,22,23 zugeordnet. Die unterschiedliche Phasenverschiebung der RC-Glieder folgt aus der Verwendung unterschiedlicher Widerstände 24,25,26 bzw. 27,28,29.

Die Schaltung stellt einen dreistufigen Multivibrator dar, dessen Kippfrequenz durch die Größe der RC-Glieder bestimmt wird. Durch entsprechende Wahl der Widerstände 24 bis 29 und der Kondensatoren 21 bis 22 der RC-Glieder läßt sich erreichen, daß jeweils nur eine Steuerstufe 37,38,39 so geschaltet wird, daß durch den zugehörigen Wicklungsstrang 1, 2, 3 ein Strom fließt.

Die Wirkungsweise der Steuerschaltung ist folgende:

Beim Anlegen einer Gleichspannung an die Pole 4,11 wird aufgrund von zwangsläufig vorhandenen Schaltungsunsymmetrien eine der Steuerstufen 37, 38,39 so geschaltet, daß durch einen der Wicklungsstränge 1,2,3 ein Strom fließt. Der nicht dargestellte Rotor des Motors hat zu diesem Zeitpunkt eine beliebige Winkelstellung und wird vom eingeschalteten Wicklungsstrang auf dem kürzesten Weg — mit oder gegen die vorgesehene Drehrichtung — ausgerichtet. Bei den nun folgenden Kippvorgängen des von den drei Steuerstufen 37, 38, 39 gebildeten Multivibrators wird der Anker synchron gemäß der Weiterschaltung des Stromes durch die Wicklungsstränge 1, 2, 3 mit dem Drehfeld in der vorgesehenen Richtung mitgezogen, wie dies beispielsweise bei einem Schrittmotor der Fall ist.

Durch seine Drehbewegung induziert der Rotor in dem der Winkelstellung entsprechenden Wicklungsstrang 1, 2, 3 einen Spannungsimpuls, der über die jeweils zugehörigen beiden unterschiedlich bemessenen RC-Glieder der gleichen und der nachfolgenden Steuerstufe zugeführt wird. Beispielsweise wird ein im Wicklungsstrang 1 induzierter Spannungsimpuls über den Widerstand 28 und den Kondensator 22 dem Vortransistors 9 der Steuerstufe 38 und über den Widerstand 24 sowie den Kondensator 21 dem Vortransistor 8 der den Wicklungsstrang 1 aufweisenden Steuerstufe 37 zugeführt. Durch die unterschiedli-

ehe Bemessung der RC-Glieder wird dabei erreicht, daß durch die Spannungsimpulse die Steuerstufen 37,38,39 nacheinander eingeschaltet werden. Dieser Vorgang wiederholt sich pro volle Ankerumdrehung beim dargestellten Ausführungsbeispiel dreimal, so daß der Anker einem dauernden Drehmoment ausgesetzt ist und in bekannter Weise hochläuft.

Hat der Anker eine bestimmte Drehzahl erreicht, so wird in dem jeweiligen Wicklungsstrang 1, 2,3 eine so hohe Spannung induziert, daß sie ausreicht, um die jeweiligen Vortransistoren 8, 9, 10 anzusteuern. In diesem Fall ist der stationäre Zustand erreicht, bei dem die Weiterschaltung von einer Steuerstufe zur nächsten aufgrund der in den Wicklungssträngen induzierten Steuerspannung, nicht mehr infolge der Kippvorhänge des Multivibrators erfolgt Dieser stationäre Zustand wird bei der erfindungsgemäßen Steuerschaltung deshalb relativ frühzeitig erreicht, da die induzierte Spannung lediglich der zur Ansteuerung der Vortransistoren 8, 9, 10 erforderlichen Basis-Emitter-Spannung, die verhältnismäßig niedrig ist, gleich sein muß.

Der Gleichstrommotor nach der Erfindung besitzt also zwei verschiedene Betriebszustände. Einmal den Anlaufzustand, bei dem durch Selbsterregung der Schaltung ein dreiphasiges Kipp-Drehfeld vorbestimmter Richtung erzeugt wird, das den Anker in synchronen Schritten von 120° mitzieht Zum anderen den stationären Lauf, bei dem die einzelnen Steuerstufen durch die in den jeweiligen Wicklungssträngen induzierten Spannungen über die RC-Glieder geschaltet werden, wodurch der Läufer dauernd einem Drehmoment ausgesetzt ist Zwischen diesen beiden Betriebszuständen findet der sogenannte »Hochlauf« des Motors statt, bei dem die verhältnismäßig niederfrequente KJppschwingung durch die Weiterschaltung der Steuerstufen infolge der in den Wicklungen induzierten Impulse abgelöst wird.

Die auf dem Schaltbild rechts von der strichpunktierten Linie 30 dargestellte Regelstufe 14 dient zui Drehzahlregelung, wie sie beispielsweise bei unter schiedler Belastung erforderlich werden kann.
Während der stromlosen Halbperioden wird die ir den Wicklungssträngen 1, 2,3 induzierte, der Drehzah des Motors proportionale Spannung über die Dioder 31,32,33 ausgekoppelt. Die an der Leitung 34 liegende der Ist-Drehzahl proportionale, durch die Dioden 31,32; 33 gleichgerichtete Spannung wird mit einer der

ίο Soll-Drehzahl entsprechenden Referenzspannung verglichen, die mitte's einer Zenerdiode 35 erzeugt wird Die Differenzspannung zwischen der der Soll-Drehzah entsprechenden Spannung an der Zenerdiode 35 unc der der Ist-Drehzahl entsprechenden Spannung an dei Leitung 34 dient zur Ansteuerung des Transistors 13 Dieser Transistor 13 liegt im Emitterkreis dei Vortransistoren 8, 9, 10 und regelt somit derer Emitterstrom. Auf diese Weise wird in Abhängigkeil von der Differenzspannung, d. h. der Ist-Drehzahl de:

Motors, der Kollektorstrom durch die Leistungstransistoren 5, 6, 7 und damit der Strom durch die Wicklungsstränge 1, 2, 3 geregelt Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß bei zu hoher Drehzahl sich der Kollektorstrom durch die Leistungstransistoren verringert, was zu einem Absinken der Drehzahl führt.

Die Zahl der Wicklungsstränge und somit auch die Zahl der Steuerstufen kann natürlich auch vergrößerl werden. Bei einer höheren Zahl von Wicklungssträngen ist es lediglich erforderlich, die Bemessung der RC-Glieder, und damit deren Phasenverschiebung, zu ändern. Außerdem ist es ohne weiteres möglich, als Vortransistoren npn-Transistoren, als Leistungstransistoren hingegen pnp-Transistoren zu verwenden. In diesem Fall müssen die zur Drehzahlregelung dienenden Dioden umgepolt werden und es ist in der Regelstufe ebenfalls ein npn-Transistor erforderlich. Als Anker kann sowohl ein Permanentmagnet-Rotor als auch ein Elektromagnet-Rotor Verwendung finden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. KoUektorloser Gleichstrommotor mit einer feststehenden mehrpoligen Ankerwicklung mit mehreren Wicklungssträngen, die von einer Gleichspan- s nungsquelle über eine Transistor-Steuerschaltung gespeist sind, welche aus einer der Anzahl der Wicklungsstränge gleichen Zahl zu einer geschlossenen Kette verbundener gleicher Steuerstufen besteht, die jeweils einen ihrem Eingang parallel geschalteten Kondensator, einen Vortransistor und einen den Stromfluß durch den zugehörigen Wicklungsstrang steuernden Leistungstransistor aufweisen und die fiber zwei Gruppen von je Gruppe untereinander gleichen, von Gruppe zu Gruppe is unterschiedlichen RC-Gliedern miteinander verkoppelt sind, von denen die RC-Glieder der einen Gruppe den Ausgang jeder Steuerstufe mit dem Eingang der folgenden Steuerstufe verbinden, dadurch gekennzeichnet, daß die in Emitterschaltung betriebenen Transistoren (5, 8; 6, 9; 7, 10) jeder Steuerstufe (37, 38, 39) zueinander komplementär sind und daß die RC-Glieder (24,21; 23, 22; 26, 23) der anderen Gruppe den Ausgang jeder Steuerstufe (37, 38, 39) mit dem Eingang der gleichen Steuerstufe verbinden.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungstransistoren (5,6,7) npn-Transistoren sind.

3. Motor nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die RC-Glieder beider Gruppen jeweils einen gemeinsamen Kondensator (21, 22,23) haben.

4. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die parallel zum Eingang der Steuerstufen (37,38, 39) angeordneten Kondensatoren (18, 19, 20) zwischen Basis und Emitter der Vortransistoren (8, 9, 10) angeordnet sind.

5. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die parallel zum Eingang der Steuerstufen (37, 38, 39) angeordneten Kondensatoren (18, 19, 20) an eine gemeinsame Leitung (36) gelegt sind.

6. Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Leitung (36) mit einem Pol (4) der Gleichspannungsquelle verbunden ist.