DE2030663A1 - Hall Motor - Google Patents

Description

DR.E. WIEGAND DIPL-ING. W. NIEMANN 9030663 DR.M.KOH1ER DIPL-ING. C. GERNHARDT ^iyJUWV MONCHeN HAMIURG

8000 MÜNCHEN 15, 22. Juni197o HUMMÜM.T.A...1.

W 14 9I0/70 12/Sch

Pioneer Electronic Corporation Tokyo (Japan

Hall-Motor

Die Erfindung "bezieht sich auf einen Elektromotor und insbesondere auf einen Hall-Motor, der anstelle von Kommutatoren der üblichen Motore Hall-Elemente verwendet.

Bei "bekannten Hall-Motoren wird, wenn es gewünscht wird, die Drehzahl des Motors zu ändern, eine Schaltung verwendet, wie eine in Fig. 1 dargestellt ist. Das heißt, solche bekannten Motoren umfaßten eine Steuerschaltung C mit Drehzahlumschaltern S., und Sp, und die Motordrehzahl wird nur durch Schalten der Schalter S-. und Sp der Steuerschaltung C geändert. -

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Im einzelnen ändert sich bei Ansprechen-auf Schalten der Schalter S₁ und S₂ der Steuerschaltung C die Vorspannung eines Transistors T₁· Hierdurch wird durch Änderung des Kollektorstromes des Transistors T₁ ein. Transistor T₂ so gesteuert, daS sein Kollektorstrom stärker oder schwächer wird. Wenn der Kollektorstrom des Transistors Tg stärker wird, ergibt sich eine Verstärkung eines Steuerstromes, der durch Hall-Elemente H₁ und H₂ in dem Hall-Motor fließt, so daß eins Hallerzeugungsspannung sich erhöht und Strom, der in Erregungswicklungen oder Feldwicklungen W₁, - W₂, W, und W* des Hall-Motors fließt, sich verstärkt, so daß es möglich ist, die Drehzahl des Hall-Motors zu erhöhen«, Wenn im Gegensatz hierzu die Schalter S₁ und S₂ der Steuerschaltung C so geschaltet werden, daß der Kollektorstrom des Transistors T₂ schwächer wird₉ ergibt* sich eine Verringerung der Drehzahl des Hall-Motors»

.Der bekannte Motor arbeitet in Übereinstimmung*-mit

der Charakteristikkurve gemäß Pig«, 2_β Figo 2 zeigt das Drehmoment T des Hall-Motors entlang der waagerechten Achse, und mit Bezug auf das Drehmoment sind di® Charakteristiken der Drelif requenz n, des Erregiangsstromes . I und des Wirkungsgrades ij entlang der Senixeehten aufgetragene Un-' ter den in Mg® 2 dargestellten Kranren ist die Kurve a_Q eine grundsätzliche Drehf£equenz-Drehmoment-R!u:nre des Hall-Motors, -und., dies entspricht öer Situations, in der die Steuerschaltung C nicht angeschlossen isto Die Drehfrequenz-Drehmoment-Kurven n- und Bg stellen den Zustand äaw₉ in welchem die Steuerschaltung ß angeschlossen, ist iffld ^-r» bei te t _o Nunmehr sei angenommen, daB₉ wenn di© Drehzählum=? schalter S₁ und S₀ Widerstände IL raid R_A in den Strom.-kreis schalten, die Drehzahl-Drehmoraent-Charakteristikentsprechend der Kurve n_% verläuft _s die Brregungsstrom·==·

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Drehmoment-Oharakteristik der Kurve I₁ und die Wirkungagrad-Drehmoment-Charakteristik der Kurve ^₁ entspricht. Wenn in diesem Zustand die Drehzahlumschalter S₁ und S₂ so geschaltet werden, daß Wider stände R₂ oder R^ und R,- oder Rg in den Stromkreis geschaltet werden, ändert sich die Drehzahl-Charakteristik derart, daß sie sich beispielsweise entlang der Kurve ng ändert. Hierbei hat trotzdem der Erregungsstrom genau den gleichen Wert, wie er ihn vorher gehabt hatte, und die Charakteristik erscheint auf der gleichen Erregungsstrom-Drehmoment-Kurve I₁, während andererseits der Wirkungsgrad sich ändert und einer anderen , Kurve 3^2 entspricht, die sich von der Wirkungsgrad-Drehmo- ' ment-Kurve Ij₁ vollständig unterscheidet. Kurz gesagt, führt bei bekannnten Hall-Motoren eine Änderung der Drehzahl zu einer Änderung des Wirkungsgrades.

Daher ist es ein Zweck der Erfindung, einen Hall-Motor zu schaffen, dessen Wirkungsgrad selbst dann nicht sinkt, wenn die Drehzahl geändert wird.

Bisher sind keine Hall-Motoren hergestellt worden, die sich in beiden Richtungen drehen können, so daß es ein anderer Zweck der Erfindung ist, einen Hall-Motor su schaffen, dessen Drehrichtung umgekehrt werden kann. |

Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht darin, einen Hall-Motor zu schaffen, dessen Drehzahl änderbar ist und dessen Drehrichtung umkehrbar ist.

Gemäß einem ersten Merkmal der Erfindung ist ein Hall-Motor geschaffen, der eine Steuerschaltung aufweist mit Drehzahlumschaltern und mit Widerständen, die durch die Schalter geschaltet werden, und mit einem Transistor, dessen Vorspannung durch die Schalter geschaltet wird. Der

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Motor weist weiterhin Antriebstransistoren auf, die mit Erregungswicklungen des Motors, die mittlere Anzapfungen haben, verbunden ist, ferner Sehalter zum Schalten der mittleren oder zwischenliegenden Anzapfungen, wobei diese Schalter bewegliche Kontakte haben, und schließlich Hall-Elemente, deren Spannungsanschlüsse mit den Basisstromkreisen der Antriebstransistoren verbunden sind, wobei die Drehzahlumschalter und die Schalter für die Anzapfstellen in verriegelter Beziehung gekoppelt sind.

Gemäß einem zweiten Merkmal der Erfindung umfaßt der vorgenannte Hall-Motor weitere doppelpolige Doppel-Kreuzumschalter zum Ändern der Pließrichtung des Erregungsstromes, der durch die Erregungswicklungen fließt, wodurch umgekehrte Drehung hervorgerufen wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert.

Pig. 1 ist ein elektrisches Schaltungsdiagramm eines üblichen Hall-Motors mit Drehzahländerung.

Pig. 2 zeigt mehrere Charakteristikkurven des Motors gemäß Pig. 1 relativ zur Drehmomentänderung.

Pig. 3 zeigt mehrere charakteristische Kurven eines Motors gemäß der Erfindung mit Bezug auf Drehmomentänderung.

^ig. 4 ist ein grundsätzliches Schaltungsdiagramm des Motors gemäß der Erfindung.

Pig*. 5 zeigt eine ^Ausführungsform eines Hall-Motors gemäß der Erfindung mit Drehzahländerung.

Pig. 6 zeigt eine Ausführungsform eines Hall-Motors gemäß der Erfindung mit Drehrichtungsumkehr und Drehzahländerung.

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Gemäß Fig. 4 sind Transistoren T₁ und Tg die Transistoren einer Drehzahlsteuerschaltung und Transistoren Τ,, TV und Tc, Tg sind Transistoren einer Antriebsschaltung, und jedem Transistor wird seine Basisspannung von entsprechenden Hall-Elementen H₁ und Hg zugeführt. Erregungswicklungen oder Feldwicklungen W₁ bis V/. haben jeweils zwischenliegende Anzapfungen 2, 3,. die mit entsprechenden Anschlüssen von Schaltern S,, S,, S,- und Sg , verbunden sind, und bewegliche Kontakte der Schalter S, bis Sg sind mit den entsprechenden Kollektoren der Transistoren T,, T, und T₅ bzw. Tg verbunden. Dioden D₁ bis" D. sind an ihrem einen Ende mit dem entsprechenden Kollektor des Transistors T,, T., Tc bzw. Tg verbunden, und ihre Ausgangsenden sind parallel an den Drehzahlsteuertransistor T₁ geschaltet. Der Transistor Tg ist an seiner Basis an den Kollektorstromkreis des Transistors T₁ geschaltet, so daß er an seiner Basis die"Spannung des Kollektorausganges des Transistors T₁ erhält. Der Kollektorstrom des Transistors Tg fließt in die Stromanschlüsse der vorgenannten Hall-Elemente H^ und Hg. Diese fühlen das Magnetfeld ab, das von dem Hotor des Motors erzeugt ist, und sie erzeugen Hall-Spannungen, die als Basisspannung abwechselnd den Transistoren T,, T. und T^, Tg zugeführt werden, so daß die Transistoren T^, T, und Tc, Tg abwechselnd Kollektor spannungen erzeugen, um zu bewirken, daß Erregungsstrom in die Erregungswicklungen fließt.

Wenn die beweglichen Kontakte der Schalter S, bis Sg mit ihrem betreffenden Anschluß 1 verbunden sind, fließt Erregungsstrom vollständig durch die Erregungswicklungen. Hierbei ist angenommen, daß die Drehfrequenz-Drehmoment-Charakteristik der Kurve n₂' entspricht, wie sie in Fig. dargestellt ist. In Fig. 3 stellt die Kurve n₀' die Drehfrequenz-Drehmoment-Charakteristik in dem Zustand dar, in

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welchem die Steuerschaltung nicht angeschlossen ist. Jedoch arbeitet der Motor in diesem Zus.tand nicht. Der Motor, der entsprechend der Kurve ng⁹ arbeitet, hat Strom-Drehmoment-Charakteristiken entsprechend der Kurve Ig. Wie in der Technik bekannt, wird der Wirkungsgrad durch einen Wert gegeben, welcher die Abgabe oder Leistungsab» gäbe des Motors ist, oder durch das Produkt aus dem Drehmoment und der Drehzahl, geteilt durch den Energieeingang des Motors, oder durch das Produkt von Erregungsstrom und Spannung. Dann wird angenommen, daß die Wirkuhgsgrad-Cha- ^ rakteristik durch die Kurve r|₂ gegeben ist»

Es sei nunmehr angenommen, dai die Schalter S^, S., Sn und Sg des Motors gleichzeitig (bzw*, in verriegelter Beziehung) geschaltet werden, um zu den betreffenden Anzapfungen 3 zu schalten. Hierdurch wird fii® Anzahl der wirksamen Windungen jeder Erreguflgswieklung verringert, so daß, wenn die Drehzahlsteuerschaltung nicht vorhanden ist j die Drehfrequenz-Drehmoment^Cliarakteristik zur Kurve η übergeht. -Jedoch ist bei dieser Ausführungsform die Drehzahlsteuerschaltrag tatsächlich angesehlossea_y so daß diese Charakteristik der Kurve n- entsprichtο " "

Wie weiterhin in der Technik bekannt₉ ist das Drehmoment T durch das Produkt von Ankerstrom -I_ ₉ ."dem -Magnetfluß 0 und die Anzahl von Windungen I durch folgende Gleichung gegeben?"

T = E 1 0 I_{a 9}

wobei K eine Konstante ist,, die durch die Konfiguration und dergleichen des Motors bestimmt isi_o

Als Folge der oben gemachten Annahme nimmt die Anzahl

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Ton Windungen % afc, während K und jß sich nicht ändern, so daß« um das gleiche Drehmoment wie vor dem Schalten der Schalter S- bis Sg zu erzeugen, der Erregungsstrom oder der Ankerstrom ϊ_ in einem Ausmaß entsprechend der verringerten Windungszahl verstärkt oder erhöht werden muß. Demgemäß ändert sich die Strom-Drehmoment-Charakteristik nach dem Schalten der Schalter S₁ bis Sg entlang der Kurve I, gemäß Pig. 3. Der Wirkungsgrad ist in diesem Fall das Produkt aus T und n-j ₉-geteilt durch das Produkt der Leitungsspannung und I-, und er ist durch die Kurve η^ dargestellt. Wenn demgemäß der Wert von n^ über n_Q bestimmt wird durch Manipulieren der Steuerschaltung derart, daß er proportional zu dem Wert von ng' übern ' ist, werden die Werte von Ij₁ und ϊ|₂ i^m wesentlichen identisch, so daß es unabhängig von der Drehfrequenz oder Drehzahl möglich ist, den Motor mit hohem Wirkungsgrad anzutreiben.

Pig. 5 zeigt ein Beispiel einer praktischen Schaltung, bei der das Drehzahlwechselmerkmal gemäß der Erfindung vorhanden ist. Bei dieser Schaltung ist der Vorspannstromkreis des Transistors T₁ in der Drehzahlsteuerschaltung in der gleichen Weise geschaltet wie bei den bekannten Motoren, und die Erregungswicklungen gemäß der Erfindung werden ebenfalls geändert.

Wenn d'ie Schalter S₁ bis Sg, die zum Hervorrufen eines solchen Schaltvorganges verwendet werden, gemeinsam betätigt werden, so daß die Windungszahl der ErregungSAfieklungen verringert wird, werden gleichzeitig die Vorspannwiderstände R₁, R₂ und R- so geschaltet, daß ihr Widerstand sich erhöht oder erniedrigt, und die Widerstände R- bis Rg werden so geschaltet, daß ihr Widerstand sich verringert oder vergrößert, so.daß geeignete Y/erte erhalten werden. Als Folge des vorhergehenden Vorganges ist ersichtlich, daß die

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Drehzahl erhöht werden kann, um einen gegebenen Wert zu erreichen* wobei der Wirkungsgrad im wesentlichen konstant gehalten ist*

Im Fall, daß die Drehfrequenz erniedrigt werden soll, kann dies dadurch erreicht werden» daß die Windungszahl der Erregungswicklungen Vergrößert wird, was aus Vorstehender Beschreibung analog bequem Verständlich ist.

Fig* 6 zeigt ein Beispiel einer Schaltung» die dazu bestimmt ist, Drehzahlwechsel und Drehriehtungswechsel bequem auszuführen, d.h. bei dieser Ausführungsform kann Drehzahlwechsel während umgekehrter Drehung erfolgen.

Die zwischenliegenden Anzapfungen der ^rregungswicklungen W- bis W. sind mit den Schaltern S, bis Sg Verbunden, wie es oben beschrieben ist. Die beweglichen Kontakte der Schalter S, bis Ss und die anderen Enden der Erregungswicklungen W- bis ViT. sind jeweils mit den betreffenden Kontakten a und b der doppelpoligen Doppel-Kreuzumschalter S„ bis S_{1 Q} verbunden, und die einen Pole der Kreuzschalter oder Querschalter sind mit der B-Energiequelle verbunden und die anderen Pole sind mit den entsprechenden Kollektoren der Transistoren T, bis Tg verbunden.

Wenn die beweglichen Kontakte der Querschalter S₇ bis S- zur Seite der Kontakte a, b umgelegt werden, werden die Anfänge der Erregungswindungen, die mit den Kontakten a verbunden sind, mit der B-Energiequelle verbunden, und diejenigen Enden der Erregungswicklungen, die über die Schalter S₅ bis Sg mit den betreffenden Kontakten b verbunden sind, werden mit den entsprechenden Kollektoren der Transistoren T, bis Tg verbunden. Wenn dann die beweg-

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liclien Kontakte der Schalter S„ bis S_1Λ zu der Seite der

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Kontakte a', b¹ umgelegt werden, sind die Anfänge der Erregungswicklungen mit den Transistoren T, bis Tg verbunden und die Enden der Windungen der Erregungswicklun- gen sind mit der B-Energiequelle verbunden, so daß die Richtung des ErregungsStroms in den Erregungswicklungen umgekehrt ist, so daß das dadurch erzeugte sich drehende Magnetfeld sich mit Bezug auf die vorhergehende Richtung in entgegengesetzter Richtung dreht, so daß natürlich der Rotor des Motors sich in der entgegengesetzten Richtung dreht. i

Wie oben beschrieben, werden die.doppelpoligen Doppelkreuzumschalter S„ bis S.. gemeinsam oder miteinander verriegelt geschaltet. Zusätzlich wird das Ändern der Drehfrequenz einfach durch Schalten der Schalter S₁ bis Sg bei unverändertem Wirkungsgrad erhalten. .

Aus vorstehender Besehreibung ist ersichtlich, daß gemäß der Erfindung ein Hall-Motor geschaffen ist, der die vorgenannte Ausfuhrung hat. Bei dem Hall-Motor gemäß der Erfindung kann Einstellung d-er Drehfrequenz ohne Änderung des Wirkungsgrades hervorgerufen werden und es kann umgekehrte Drehung geschaffen werden, die bisher bei Hall-Moto- I ren nicht erreicht werden konnte. Somit ist ersichtlich, daß der Motor gemäß der Erfindung einen hohen Wirkungsgrad und große Vielfalt hinsichtlich seiner Anwendungsmöglichkeiten hat zufolge der Kombination von Drehrichtungsumkehr und Drehzahländerung. Auf diese V/eise ist der Hall-Motor gemäß der Erfindung beispielsweise als Motor für Tonbandgeräte oder Bandaufzeichnungsgeräte sehr geeignet, der normale Vorwärtsgeschwindigkeit, hohe Vorwärtsgeschwindigkeit, normale Rückwärtsgeschwindigkeit und hohe Rückwärts-• geschwindigkeit haben soll.

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Claims (2)

Patentansprüche

1.jHall-Motor mit einer Mehrzahl von Erregungswicklungen und mit einer Steuerschaltung, die Drehzahlumschalt.er und von diesen geschaltete Widerstände aufweist, und mit einem Transistor, dessen Vorspannung durch die Drehzahlumschalter geschaltet wird, gekennzeichnet durch Antrie"bstransistoren (T₅ bis Tg), die mit den Erregungswicklungen (m), die zwischenliegende Anzapfungen (2, 3) haben, verbunden sind, Schalter (S, bis Sg), die zum Schalten der zwischenliegenden Anzapfungen vorgesehen sind und bewegliche Kontakte für die Anzapfungen haben, und durch Hall-Elemente (BL , Hp)» deren Spänmungsansehlüsse mit den Basisstromkreisen der Antriebstransistoren verbunden sind, wobei die Drehzahlumsshalter (S-J₉ S«) und die Schalter (S~ bis Sg) für die Anzapfungen in verriegelter Beziehung miteinander gekoppelt sind*

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß doppelpolige Doppel-Kreuzumschalter (S- bis S₁ ) vorgesehen sind zum Ändern der KLießrichtung des durch die Erregungswicklungen fließenden Stromes, und daß die beiden Pole jedes Kreuzschalters mit einer B-Energiequelle bzw. dem Kollektor des entsprechenden Antriebstransistors (T, bis Tg) verbunden sind«,

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