DE2035027C3 - Drehmoment-Gleichstrommotor - Google Patents
Drehmoment-GleichstrommotorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Drehmoment-Gleichstrommotor mit einem Permanenünagnetrotor auf
einer Welle, mit um den Rotor herum angeordneten, am Motorrahmen gehaltenen sowie jeweils mit einer
Feldwicklung versehenen Polstücken zum Erzeugen eines magnetischen Feldes, mit an eine Gleichspannungsquelle angeschlossenen stationären Schleifringen,
mit hierzu konzentrischen, stationären sowie unter gegenseitigem Winkelabstand angeordneten Kommutatorregmenten, die an die Feldwicklungen angeschlos
sen sind, und mit einer mit der Welle drehbaren Bürstenanordnung, deren Bürsten an diametral gegenüberliegenden Seiten eine elektrische Verbindung
zwischen den Schleifringen und Kommutatorsegmenten herstellen.
Die GB-PS 6 31 178 beschreibt einen Gleichstrommotor mit den im Oberbegriff genannten Merkmalen.
Der bekannte Gleichstrommotor hat einen an einer Welle befestigten Rotor und am Motorrahmen gehaltene, über den Umfang verteilte Polstücke zum Erzeugen
eines magnetischen Feldes. Diese Polstücke sind jeweils
mit einer Feldwicklung versehen. Stationäre, konzentrische Schleifringe sind an eine Gleichspannungsquelle
angeschlossen. Den Schleifringen sind konzentrische, stationäre sowie unter gegenseitigem Winkelabstand
angeordnete Kommutatorsegmente zugeordnet, die an die Feldwicklungen angeschlossen sind. Mit der Welle
ist eine Bürstenanordnung verbunden, deren Bürsten an diametral gegenüberliegenden Seiten eine elektrische
Verbindung zwischen den Schleifringen und den Kommutatorsegmenten zum Speisen der Feldwicklungen herstellen.
Der nicht als Drehmomentmotor ausgelegte bekannte Elektromotor ist für einen Schaltmechanismus
bestimmt und eignet sich nicht ohne weiteres für eine Anwendung in einem Servosystem aof dem Gebiet der
Meßtechnik. Um ihn entsprechend abzuwandeln, müßten verschiedene Maßnahmen durchgeführt werden, aufgrund derer ein relativ kompliziertes, großes,
schweres und bezüglich der Drehmomentänderungen nicht besonders stabiles Gebilde entstünde.
Insbesondere in Luftfahrzeugen benutzte Meßinstrumente mit Anzeigevorrichtungen weisen häufig Servosysteme mit Nullabgleich auf, um hierdurch einen
Instrumentenzeiger oder dergleichen in Abhängigkeit von einem von einem geeigneten Wandler erhaltenen
Meßsignal einzustellen. Solche Systeme benutzen einen Servo- oder Drehmomentmotor, um das Instrument in
eine Gleichgewichtsstellung zu bringen, welches von einem Abgleichsignal bestimmt wird, das von einem
durch den Drehmomentmotor angetriebenen Nachführungs-Potentiometer erhalten wird. Um ein ausreichendes Drehmoment zu erhalten, ist es bisher üblich
gewesen, zwischen dem Drehmomentmotor und der ausgangsseitigen Antriebswelle desselben ein Untersetzungsgetriebe zu verwenden. Ein derartiges Getriebe
führt jedoch nicht nur zu einer Gewichts- und Kostensteigerung, sondern es erschwert auch ein
Stabilisieren des Servosystems aufgrund der Trägheitseffekte des Getriebes und des Rotors, der notwendigerweise mit einer großen Drehzahl betrieben wind!
Die DE-PS 9 73 746 beschreibt einen Gleichstrom-Kleinstmotor mit eisenlosem Glockenanker und dreiteili-
gem Kollektor. Der Motor weist umlaufende Ankerspulen auf, die im Dreieck geschaitet sind und über einen
Kommutator gespeist werden. Als Stromzuführungen werden je Pol zwei um maximal 60°, beispielsweise um
50°, gegeneinander versetzte Kollektorschleifer benutzt, wobei das zu einem Pol gehörige Schleiferpaar
elektrisch miteinander verbunden ist Die gegeneinander versetzten Kollektorschleifer sollen sich auf den
Verlauf der Kurve des Motordrehmomentes so auswirken, <£eB noch vorhandene flache Minima der
Kurve angehoben und ausgeglichen werden. Diese Entgegenhaltung befaßt sich somit mit einer Vergleichmäßigung
von Motordrehmomenten und betrifft keinen Drehmoment-Gleichstrommotor im Sinne des Oberbegriffs.
Ausgehend von einem Drehmoment-Gleichstrommotor der im Oberbegriff genannten Art besteht die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen solchen Drehmoment-Gleichstrommotor in einem Servosystem
in einfacher Weise ohne Verwendung eines Untersetzungsgetriebes der Meßtechnik zugänglich zu
machen und bei kleiner Größe, geringem Gewicht sowie großer Stabilität schnelle Drehmomentänderungen zu
vermeiden, die zu einem Erzeugen eines instabilen Betriebes des Servosystems neigen.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe zeichnet sich ein Drehmoment-Gleichstrommotor der im Oberbegriff
genannten Art erfindungsgemäß dadurch aus, daß eine an dem Motorrahmen angebrachte Platte die Schleifringe,
die Kommutatorsegmente und ein ringförmiges Potentiometer-Widerstandselement in einer elektrisch
leitenden konzentrischen Ringanordnung trägt, daß die an den Kommutatorsegmenten angreifenden Bürsten
der Bürstenanordnung als Bürstenpaare ausgebildet sind, wobei die Bürsten eines jeden Bürstenpaares einen
gegenseitigen Winkelabstand haben, der wesentlich größer als der Winkelabstand zwischen benachbarten
Kommutatorsegmenten, aber kleiner als die Winkelausdehnung
von jedem Kommutatorsegment ist, und daß das Potentiometer-Widerstandselement mit einem an
der Welle angebrachten Potentiometerschleifer der Bürstenanordnung in Eingriff steht, wobei ein von der
Stellung des Potentiometerschleifers bestimmtes Drehmoment erzeugbar, ferner ein Gegendrehmoment von
einer Vorspannvorrichtung auf die Welle ausübbar und die Welle bis zu einer Gleichgewichtsstellung drehbar
sind.
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ergibt sich ein vergleichsweise kleines sowie kompaktes, in der
Meßtechnik ohne Änderungen verwendbares Gebilde, das ohne Untersetzungsgetriebe stabil und direkt ohne
schnelle Drehmomenisprünge arbeitet. Die Schleifringe, die Kommutatorsegmente und das ringförmige Potentiometer-Widerstandselement
sind in einer platzrparenden, kompakten Weise mit der am Motorrahmen
angebrachten Platte aus einem Stück gebildet. Das Motordrehmoment treibt die Motorwelle und das
Potentiometer-Widerstandselement in einer Drehrichtung, und die auf die Welle einwirkende Vorspannvorrichtung
erzeugt ein Gegendrehmoment in der entgegengesetzten Richtung. Das entwickelte Motordrehmoment
ist ausreichend, um ohne ein Untersetzungsgetriebe direkt angeschlossene Anzeigeglieder anzutreiben.
Die an sich bekannten Bürstenpaare sorgen dafür, daß plötzliche Drehmomentänderungen des Motors verhindert
werden, die eine Instabilität des Servosystems verursachen können, in dem dei Motor verwendet wird.
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend an zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert Es
zeigt
F i g. 1 in einem perspektivischen Schnittbild einen Drehmoment-Gleichstrommotor nach der vorliegenden
Erfindung,
Fig.2 einen aus einem Potentiometer-Widerstandselement
aus Schleifringen und aus Kommutatorsegmenten bestehenden einstückigen Aufbau,
Fig.3 den Aufbau einer drehbaren Bürstenanordnung,
Fig.4 in einer Darstellung die Verbindungen bzw.
Angriffsstellen zwischen der Bürstenanordnung und den Komrnutatorsegmenten, den Schleifringen sowie dem
Potentiometer-Widerstandselement,
Fig.5 in einer schematischen Darstellung den Drehmoment-Gleichstrommotor in einem Servosystem
zum Einstellen eines Instrumentenzeigers in Abhängigkeit von einem Meßsignal,
F i g. 6A, 6B und 6C in schematischen Darstellungen die von der aus Kommutatorsegmenten und Bürstenpaaren
bestehenden Anordnung geschalteten Stromnußwege für die Feldwicklungen während der Rotation
der Bürstenanordnung,
Fig.7 die Motordrehmoment-Drehwinkelkurven für
die Bürstenpaare im Vergleich zu einer herkömmlichen Bürstenanordnung und
F i g. 8A, 8B die Anwendung des Drehmoment-Gleichstrommotors zum Antreiben einer Anzeige mit
einem Band oder Streifen.
Der in F i g. 1 dargestellte Drehmoment-Gleichstrommotor enthält einen Motorrahmen 10, der eine
zylindrische Feldeinrichtung 11 aus magnetischem Material trägt, die drei in gleichem Abstand angeordnete,
radial vorspringende Polstücke 12, 13 und 14 aufweist. Auf einer an dem Motorrahmen 10 gelagerten
Motorwelle 15 ist ein zylindrischer Rotor 16 angebracht, der aus einem Permanentmagnetmaterial hergestellt ist.
Um das Gewicht zu verkleinern und das Motordrehmoment zu vergrößern, ist der Rotor vorzugsweise aus
einem Magnetmaterial hergestellt, das eine große Koerzitivkraft und einen großen Remanentfluß aufweist.
Ein hierfür besonders gut geeignetes Material ist eine Legierung, die aus Aluminium (7%), Nickel (14,5%),
Kobalt (35%), Titan (5%), Eisen (34%) und Kupfer (4,5%) besteht. Eine derartige Legierung wurde von der
General Electric Company entwickelt und hat den Namen Alnico 8 erhalten. Der Rotor ist auf einem
Durchmesser so magnetisiert, daß gemäß F i g. 5 auf einer Seite ein Nordpol N und auf der anderen Seite ein
Südpol S gebildet wird. Die den Rotor umgebenden Poistücke 12, 13 und 14 tragen Feldwicklungen 17, 18
und 19, die vorzugsweise im Dreieck geschaltet sind, wobei die Verbindungspunkte in noch zu beschreibender
Weise mit einem Kommutator verbunden sind.
An einem Ende des Motorrahmens ist eine feststehende kreisförmige Platte 20 mit einer Mittelbohrung 21
angebracht, durch die ein Ende 15a der Motorwelle 15 ragt. Das andere Ende i5b der Motorwelle wird zum
Antreiben beispielsweise eines Zeigers 22 eines Anzeigeinstrumentes mit einer feststehenden Skala 23
verwendet. Wie es in F i g. 2 gezeigt ist, hat die Platte 20 ein mit dieser einstückig hergestelltes ringförmiges
Potentiometer-Widerstandselement 24, drei Schleifringe 25, 26 sowie 27 und einen Kommutator 28 mit drei
unter Winkelabstand angeordneten Kommutatorsegmenten 28a, 28£>
sowie 28c. Diese Teile bilden eine
konzentrische Ringanordnung mit unter Radialabstand befindlichen isolierten Ringen aus elektrisch leitendem
Material.
Am Ende 15a der Motorwelle ist eine Bürstenplatte 29 befestigt, die aus einem elektrisch isolierenden
Material hergestellt und mit einer zentralen Hülse 30 sowie einer Stellschraube 31 zum Befestigen der
Bürstenplatte an der Welle versehen ist. Von der Innenseite der Bürstenplatte ragt eine Reihe von
Bürsten vor, die gegen das Potentiometer-Widerstandselement 24, die Schleifringe 25, 26 und 27 und den
Kommutator 28 drücken und einen noch zu beschreibenden elektrischen Kontakt herstellen.
Wie in Fig.3 gezeigt ist, befinden sich an der
Innenseite der Bürstenplatte 29 drei im Abstand angeordnete Glieder 32,33 und 34 einer Bürstenanordnung, die aus einem elektrisch leitenden Material
hergestellt und auf geeignete Weise, wie z. B. durch Vernieten, an der Bürstenplatte befestigt sind. Das Glied
32 weist zwei gebogene Federarme auf, die an ihren äußeren Enden einen Potentiometerschleifer 35 und
eine Bürste 36 tragen, während die Glieder 33 und 34 jeweils drei Federarme aufweisen, die die Bürsten von
Bürstenpaaren 37,38 bzw. 40,41 und Bürsten 39 sowie 42 tragen. Die Bürsten können aus dünnen Drähten
bestehen, die an den Federarmen angelötet bzw. angeschweißt sind; vorzugsweise werden für jede
Bürste mehrere Drähte verwendet, um einen kontinuierlichen elektrischen Kontakt mit den leitenden Ringen
auf der Platte 20 zu gewährleisten.
In Fig.4 ist dargestellt, in welcher Weise die
elektrischen Verbindungen über die Bürsten bzw. Bürstenpaare sowie den Potentiometerschleifer zu den
leitfähigen Ringen auf der Platte 20 hergestellt werden. Zur leichteren Darstellung sind die Schleifringe 25, 26
sowie 27, die Kommutatorsegmente 28a, 26b sowie 28c und das Potentiometer-Widerstandselement 24 als
gerade Linien anstatt als Kreise gezeigt Die drei Potentiometer-Verbindungen werden an Anschlüssen
43, 44 und 45 hergestellt, so daß der als Bürste ausgebildete, gegen das Potentiometer-Widerstandselement 24 drückende Potentiometerschleifer 35 und die
hiermit verbundene Bürste 36, die gegen den Schleifring 25 drückt, als Schleifer des Potentiometers wirken, der
durch die die Bürstenplatte 29 drehende Motorwelle eingestellt wird. Vorzugsweise ist das Potentiometer-Widerstandselement 24 für eine große Auflösung und
eine geringe Reibung aus einem gepreßten, leitenden Kunststoff hergestellt
vjiciCuStrOm Zügciüiiri, υ£Γ ίΠ iGig€liu£r τ» CISC uUrCit \»\Z
im Dreieck geschalteten Feldwicklungen 17, 18 und 19 fließt Von dem Anschluß 46 fließt der Strom über den
Schleifring 27, die Bürste 39 und das Bürstenpaar 37,38 zu den Kommutatorsegmenten 28a, 286 und 28a die
gemäß Darstellung mit den Verbindungspunkten zwischen den Feldwicklungen verbunden sind. Der
Strom verläßt die Feldwicklungen und den Kommutator über das Bürstenpaar 40,41 sowie die Bürste 42 und den
Schleifring 26, um zu dem anderen Anschluß 47 zu fließen.
Wie es in F i g. 5 dargestellt ist, sind die Bürstenpaare
37, 38 und 40, 41 auf dem Kommutator diametral gegenüberliegend angeordnet, wobei der Winkelabstand zwischen den Bürsten eines jeden Bürstenpaares
durch den Winkel θ gegeben ist
Wenn die Motorwelle und die damit verbundene Bürstenanordnung rotiert, wird der durch die Feldwicklungen fließenden Strom durch die Kommutatorwirkung umgeschaltet, um ein Drehfeld zu erzeugen, dem
der magnetisierte Rotor folgt, so daß eine Motorwirkung erzeugt wird.
Die Aufgabe der unter Winkelabstand angeordneten Bürsten der Bürstenpaare 37, 38 und 40, 41 besteht
darin, die Drehmoment-Drehwinkelcharakteristik des Motors zu glätten und steile Drehmoment-Gradienten
während der Motordrehung zu vermeiden, die zu einem
to Zittern bzw. Pendeln und zu Instabilitäten führen, wenn der Motor in einem geschlossenen Servosystem
verwendet wird.
Die Art und Weise, in der die Bürstenpaare den Strom in den im Bereich angeschlossenen Feldwicklungen
is schalten, ist in den Fi g. 6A, 6B und 6C gezeigt In der in
Fig.6A gezeigten Stellung der Bürstenanordnung verbindet das Bürstenpaar 37, 38 die Kommutatorsegmente 28a und 28c derart untereinander, daß die
Feldwicklung 19 kurzgeschlossen ist Das Bürstenpaar
40,41 befindet sich mit dem Kommutatorsegment 286 in
Eingriff, so daß die Feldwicklungen 17 und 18 den vollen Strom und die volle Spannung erhalten. Unter der
Annahme, daß die Winkelausdehnung eines jeden der drei Kommutatorsegmente wegen der dazwischen
befindlichen Isolation etwas kleiner als 120° ist und daß der Winkelabstand (Winkel Θ) zwischen den Bürsten
der Bürstenpaare 50° beträgt so bleibt dieser Zustand bestehen, bis die Stellung gemäß Fig.6B erreicht ist.
Diese ergibt sich nach einer im Uhrzeigersinn
erfolgenden Drehung der Bürstenanordnung von etwa
30°. In dieser Stellung befindet sich das Bürstenpaar 37, 38 mit dem Kommutatorsegment 28c in Eingriff und
liegt das Bürstenpaar 40, 41 an dem Kommutatorsegment 2Bb an. Somit erhält die Feldwicklung 18 volle
Spannung und vollen Strom, während die Feldwicklungen 17 und 19 in Reihe geschaltet sind und so nur die
halbe Spannung und den halben Strom aufnehmen. Nach einer weiteren Drehung der Bürstenanordnung im
Uhrzeigersinn um 30° ist die in Fig.6C gezeigte
Stellung erreicht; jetzt verbindet das Bürstenpaar 40,41
die Kommutatorsegmente 28a sowie 286 miteinander, und das Bürstenpaar 37,38 greift an dem Kommutatorsegment 28c an. Somit wird die Feldwicklung 17
kurzgeschlossen, und die Feldwicklungen 18 und 19
erhalten die volle Spannung und den vollen Strom. Es ist
somit ersichtlich, daß bei einer Drehung der Bürstenanordnung alle Feldwicklungen der Reihe nach die volle
Spannung sowie den vollen Strom, die halbe Spannung sowie den halben Strom und im kurzgeschlossenen
Zustand keine Spannung sowie keinen Strom erhalten. Auf diese Weise wird ein Drehfeld für eine Motorwirkung erzeugt
In einer herkömmlichen Bürstenanordnung, bei der ein Satz diametral gegenüberliegender Bürsten verwen
det wird, ist die Kommutatorschaltfolge die gleiche wie
die oben beschriebene, außer, daß der Zustand, in der eine Feldwicklung kurzgeschlossen ist und die anderen
zwei die volle Spannung sowie den gesamten Strom erhalten, nur während des kurzen Intervalls auftritt, in
dem die Bürste über die Isolation zwischen benachbarten Kommutatorsegmenten gleitet Dabei sei angenommen, daß die Bürste genügend breit ist, um die Isolation
zwischen den Kommutatorsegmenten zu fiberspannen und momentan beide Segmente miteinander zu
verbinden. Die doppelten Bürsten der Bürstenpaare
erstrecken sich dagegen wesentlich über den Winkelstellungsbereich der Bürsten hinaus, in dem eine
Feldwicklung kurzgeschlossen ist und die anderen zwei
die volle Spannung und den gesamten Strom aufnehmen. Dadurch wird die das effektive Motordrehmoment
erzeugende Komponente des Motorfeldes kräftig gestärkt, da die kurzgeschlossene Feldwicklung nahe
der Stellung liegt, in der sie ein entgegegesetzt wirkendes Drehmoment erzeugen würde. Um diesen
Effekt möglichst groß zu machen, ist der Winkelabstand der Bürsten der Bürstenpaare vorzugsweise so gewählt,
daß er möglichst groß ist, ohne daß die Gleichstromzufuhr an einem der Kommutatorsegmente kurzgeschlossen
ist. Für den dargestellten Kommutator mit drei Kommutatorsegmenten tritt diese Kurzschlußwirkung
dann auf, wenn der Winkelabstand der paarigen Bürsten in die Nähe von 60° kommt. In der Praxis wurden gute
Ergebnisse mit einem Winkel zwischen den paarigen Bürsten in dem Bereich zwischen 45° und etwas weniger
als 60° und vorzugsweise von 50° ±5° erhalten, was von dem Abstand der Kommutatorsegmente und den
Herstellungstoleranzen abhängt.
Die Wirkung der Bürstenpaar-Anordnung hinsichtlich einer Glättung der Drehmoment-Drehwinkel-Kurve
des Motors ist in graphischer Form in F i g. 7 dargestellt. Die Kurve A zeigt die Drehmomentänderung
für das Bürstenpaar bei einem Winkel von etwa 50°, während die Kurve B die Drehmomentänderung für
einen einzigen Bürstensatz zeigt, in dem die Bürsten in herkömmlicher Weise diametral gegenüberliegend auf
dem Kommutator angeordnet sind. Es wird deutlich, daß die in Kurve A dargestellten Drehmomentänderungen
relativ glatt sind, während die in Kurve B dargestellten in Abständen von 60° der Motordrehung steile
transiente Schwingungen zeigen. Diese Spitzen treten während des schmalen Winkelbereiches auf, in dem die
Kommutatorsegmente durch die zwischen benachbarten Segmenten befindliche Bürste kurzgeschlossen sind.
Derartige transiente Spitzen neigen dazu, eine Instabilität und ein Pendeln in dem Servosystem zu erzeugen,
insbesondere wenn zwischen dem Motor sowie seiner Ausgangswelle kein Untersetzungsgetriebe vorhanden
ist und wenn der Motor ge ;en die Vorspannkraft einer Rückholfeder arbeitet.
Das Bürstenpaar hat noch den zusätzlichen wesentlichen Vorteil, daß es das Bürstenfeuer auf ein Minimum
herabsetzt, denn es sorgt für einen zusätzlichen Ableitungspfad für den induktiven Stoß in den
Feldwicklungen, wodurch ein allmähliches Abfallen des induktiven Stromes möglich ist.
F i g. 5 zeigt den Drehmoment-Gleichstrommotor in einem Servosystem, das zur Einstellung des Zeigers
eines Anzeigeinstrumentes dient. Der Motor liefert ein Drehmoment zum Antreiben der Welle 15 und des
hiermit verbundenen Zeigers 22 im Uhrzeigersinn (steigende Skalenwerte). Eine geeignete, eine Vorspannung
liefernde Vorspannvorrichtung 48 in Form einer Spiralfeder, von der ein Ende an dem Motorrahmen 10
und das andere Ende an der Welle 15 befestigt sind, liefert ein Gegenmoment, um die Welle 15 im
Gegenuhrzeigersinn (fallende Skalenwerte) zu drehen. Eine Gleichspannungsquelle 49 ist mit den Anschlüssen
46 und 47 über einen Kollektor 50 und einen Emitter 51 eines Regeltransistors 52 verbunden. Die Vorspannung,
die der Basis bzw. den Regeleingang 53 des Regeltransistors 52 durch einen Differenzverstärker 54 in Form
eines Operationsverstärkers zugeführt wird, steuert den Motorstrom über den Regeltransistor.
Ein Meßsignal Es in Form einer Eingangsspannung,
die von einem geeigneten, nicht dargestellten Wandler geliefert wird und beispielsweise ein Maß für eine
gemessene Größe, wie z. B. eine Temperatur, einen Druck etc., sein kann, wird einem (zweiten) Eingang 55a
des Differenzverstärkers 54 zugeführt. Die zwischen dem Bürstenschleifer 35 und dem Anschluß 45 des
Potentiometer-Widerstandselementes abfallende Spannung wird dem anderen (ersten) Eingang 55t» des
Differenzverstärkers 54 zugeführt. Dieser hat einen bekannten Aufbau und liefert eine Ausgangsspannung
von einer Polarität, wenn die dem Eingang 55a
ίο zugeführte Spannung diejenige überschreitet, die dem
anderen Eingang 55f> zugeführt wird, während er eine
Aussgangsspannung entgegengesetzter Polarität Hefen, wenn die Eingangsspannung am Eingang 55b größer ist
als die Spannung am Eingang 55a. Die Polaritäten sind so gewählt, daß dann, wenn das Meßsignal Es größer ist
als dasjenige am Bürstenschleifer 35, der Regeltransistor
52 eingeschaltet ist und einen Strom zum Motor hindurchläßt, so daß dieser die Welle 15 und den Zeiger
22 gegen die Vorspannung der Feder der Vorspannvorrichtung 48 in Richtung steigender Skalenwerte
antreibt. Wenn eine Gleichgewichtsstellung erreicht ist, die durch die Ausgangsspannung des Potentiometer-Widerstandselementes
bestimmt ist, sind das Motordrehmoment sowie das Federgegenmoment ausgeglichen, und der Zeiger bleibt an einer bestimmten Stelle
stehen, die ein Maß für die durch das Meßsignal Es gegebene Größe ist. Wenn die gemessene Größe und
damit das Meßsignal Es kleiner werden, wird die an den
Eingang 55b des Differenzverstärkers angelegte Spannung größer als die an den Eingang 55a angelegte
Spannung, und der Regeltransistor 52 schaltet den Motorstrom ab. Damit kann die Feder der Vorspannvorrichtung
48 die Welle 15 und den Zeiger 22 in Richtung fallender Skalenwerte drehen, bis die Ausgangsspannung
des Potentiometer-Widerstandselementes genügend vermindert worden ist, um ein neues
Gleichgewicht in einer spannungsvermindernden Stellung herzustellen, die vom Wert des Meßsignals Es
abhängt. Bei einem Ausfallen der Versorungsenergie dreht die Feder der Vorspannvorrichtung 48 den Zeiger
22 im Gegenuhrzeigersinn über die Nullstellung hinausgehend in eine »Aus«-Stellung, so daß zuverlässig
angezeigt wird, daß ein Leistungsverlust aufgetreten ist.
Während der Zeit, in der der Regeltransistor so vorgespannt ist, daß der Motorstrom abgeschaltet ist, ist
es wünschenswert, einen Entladungspfad für die in den Feldwicklungen gespeicherte induktive Energie vorzusehen.
Zu diesem Zweck ist den Anschlüssen 46 und 47 des Motoreingangs eine Diode 56 parallelgeschaltet,
und zwar mit einer in Fig.5 gezeigten derartigen Polarisierung, daß nur eine Gegen-EMK-Spannung
durchgelassen wird.
Es wurde festgestellt, daß ein derart aufgebauter Drehmoment-Gleichstrommotor für einen ausschwingenden
(nicht pendelnden) Betrieb sorgt, wenn er in dem oben beschriebenen Servosystem verwendet wird.
Eine beispielhafte Ausführungsform, die ein angemessenes Ausgangsdrehmoment von 160 gern lieferte, um
einen Instrumenten-Zeiger ohne Untersetzungsgetriebe anzutreiben, hatte einen Außendurchmesser von
413 mm, einen Rotordurchmesser von 15,9 mm sowie ein Gewicht von 141,75 g und erforderte einschließlich
der Verluste in der Elektronikschaltung eine Eingangsleistung von nur einem Watt
Die Fig.8A, 8B sind schematische Front- und Seitenansichten eines I nstrumentes mit einer band- oder
streifenförmigen Anzeige, die durch den oben beschriebenen Drehmoment-Gleichstrommotor in dem Servo-
system angetrieben werden. Eine Instrumentenfrontplatte 57 hat eine rechtwinklige Öffnung 58, durch die
hindurch ein Anzeigeband 59 sichtbar ist, das eine thermometerartige Anzeige an der Verbindungsstelle
von hellen und dunklen Abschnitten 60 und 61 des Anzeigebandes 59 liefern soll. Das Anzeigeband 59 läuft
über Führungsrollen 62 sowie 63 zwischen einer Trommel 68, die durch die Welle 15 des Motors
angetrieben wird, und einer drehbaren Aufnahmerolle 69. Hierbei hält eine Spiralfeder 70 einer Vorspannvorrichtung,
die die Aufnahmerolle 69 für eine Rotation im Gegenuhrzeigersinn vorspannt, in dem Anzeigeband
einen Zug aufrecht. Sie liefert eine Vorspannkraft in
10
Richtung fallender Skalenwerte, und zwar in ähnlicher Weise wie die in Fig. 5 gezeigte Feder der Vorspannvorrichtung
48. Somit sorgen die Vertikalbewegungen des Anzeigebandes für ein Anzeigen einer gemessenen
Größe in Abhängigkeit von Änderungen des Meßsignals Es. Aufgrund des stabilen Betriebes, der kleinen
Größe, des großen Drehmomentes, des geringen Gewichtes und des kleinen Energieverbrauches ist der
erfindungsgemäße Drehmoment-Gleichstrommotor sehr gut geeignet für den Antrieb voii Zeigern,
bandartigen Instrumenten-Anzeigegliedern und dergleichen, ohne daß ein Untersetzungsgetriebe erforderlich
ist.
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Drehmoment-Gleichstrommotor mit einem Permanentmagnetrotor auf einer Welle, mit um den
Rotor herum angeordneten, am Motorrahmen gehaltenen sowie jeweils mit einer Feldwicklung
versehenen Polstücken zum Erzeugen eines magnetischen Feldes, mit an eine Gleichspannungsquelle
angeschlossenen stationären Schleifringen, mit hierzu konzentrischen, stationären sowie unter gegenseitigem Winkelabstand angeordneten Kommutatorsegmenten, die an die Feldwicklungen angeschlossen sind, und mit einer mit der Welle
drehbaren Bürstenanordnung, deren Bürsten an diametral gegenüberliegenden Seiten eine elektrische Verbindung zwischen den Schleifringen und
Kommutatorsegmenten herstellen, dadurch gekennzeichnet, daß eine an dem Motorrahmen
(10) angebrachte Platte (20) die Schleifringe (25, 26, 27), die Kommutatorsegmente (28a, 286,2Sc) und ein
ringförmiges Potentiometer-Widerstandselement (24) in einer elektrisch leitenden konzentrischen
Ring-Anordnung trägt, daß die an den Kommutatorsegmenten (28a, 286, 28c) angreifenden Bürsten der
Bürstenanordnung als Bürstenpaare (37, 38; 40, 41) ausgebildet sind, wobei die Bürsten eines jeden
Bürstenpaares (37, 38; 40, 41) einen gegenseitigen Winkelabstand (Θ) haben, der wesentlich größer als
der Winkelabstand zwischen benachbarten Kommutatorsegmenten (28a, 2Sb, 2Sc) aber kleiner als die
Winkelausdehnung von jedem Kommutatorsegment ist, und daß das Potentiometer-Widerstandselement
(24) mit einem an der Welle (15) angebrachten Potentiometerschleifer (35) der Bürstenanordnung
in Eingriff steht, wobei ein von der Stellung des Potentiometerschleifers (35) bestimmtes Drehmoment erzeugbar, ferner ein Gegendrehmoment von
einer Vorspannvorrichtung (48) auf die Welle (15) ausübbar und die Welle (15) bis zu einer Gleichgewichtsstellung drehbar sind.
2. Drehmoment-Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkelabstand (Θ) der Bürsten größer als 45° und kleiner
als 60° ist
3. Drehmoment-Gleichstrommotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkelabstand (Θ) der Bürsten 50° beträgt.
4. Drehmoment-Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1—3, dadurch gekennzeichnet, daß
die den Kommutatorsegmenten (28a, 2Sb, 2Sc) zugeordneten Schleifringe (26, 27) über einen
Regeltransistor (52) an die Gleichspannungsquelle (49) angeschlossen sind, daß das Potentiomcter-Widerstandselement (24) an die Gleichspannungsquelle (49) angeschlossen ist, daß der am Potentiometer-Widerstandselement (24) angreifende Bürstenschleifer (35) der Bürstenanordnung mit dem
Regeleingang (53) des Regeltransistors (52) über einen Eingang (55b) eines Differenzverstärkeis (54)
verbunden ist, dessen zweitem Eingang (55a) ein Meßsignal (Es) zuführbar ist, und daß eine dem
Motordrehmoment entgegenwirkende Feder-Vorspannvorrichtung (48) den Drehmomentmotor eine
vom jeweiligen Meßsignal (Es) abhängige stationäre Gleichgewichtsstellung einnehmen läßt.
5. Drehmoment-Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 —4, dadurch gekennzeichnet, daß
ein einer stationären Skala (23) zugeordneter Zeiger (22) mit der Welle (15) verbunden ist
Applications Claiming Priority (1)
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---|---|---|---|
US84487469A | 1969-07-25 | 1969-07-25 |
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