DE2058092A1

DE2058092A1 - Gleichstrommotor

Info

Publication number: DE2058092A1
Application number: DE19702058092
Authority: DE
Inventors: Marc Bregeault
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1969-11-28
Filing date: 1970-11-26
Publication date: 1971-06-03
Also published as: US3719870A; FR2068141A5

Description

Dipi.-Ing. Egon Prinz

Dr. Gertrud Hauser βοοο Mönchen 6O₁ Dipl.-Ing. Gottfried Leiser E,».b.r».r.ir«.. i»

Patentanwälte

Telegramme! Labyrinth MOnchan

Telefon: 83 15 10 Postscheckkonto ι München 117078

Unser Zeichen: T 955

THOMSON-CSP

101 Bl.Murat Paris, 16erae, Frankreich

Gleichstrommotor

Die Erfindung bezieht sich auf Gleichstrommotoren.

Bekannt sind Gleichstrommotoren mit einem Motorelemente das einen den Läufer bildenden Permanentmagnet-Erreger und einen den Stator bildenden gewickelten Anker aufweist, und mit einem "Resolver" genannten Detektorelement für die Winkelstellung des Läufers. In den meisten Fällen ist die Ständerwicklung nach dem Wickelschema von Zweiphasenmotoren angeordnet. Der Resolver enthält dann zwei Fühler, beispielsweise Hall-Plättchen¹, die jeweils eine Steuersignalfolge abgeben, wobei die beiden Signalfolgen um 90° phasenverschoben sind. Man könnte beispielsweise die Signale des Resolvers linear verstärken und sie dann zurSpeisung des Ständers nach dem Zweiphasenprinzip benutzen. Der Motor würde sich dann wie die Motoren mit Zweiphaseninduktion drehen, doch würde die Motorleistung von den für die Speisung der Verstärker verwendeten Gleichstrom stammen.

Beim gegenwärtigen Stand der Technik zieht man es vor, die Resolversignale zur Steuerung von Umschaltkreis.en zu verwenden, welche die Aufgabe haben, die Str.omricb.tung in jeder der Wicklungen dann umzukehren, wenn sich der Läufer

TM/p 109823/1278

Lei/Ba

in der Achse der betreffenden Wicklung befindet. Jede Wicklung wird über einen eigenen Umschaltkreis von einer Gleichstromquelle gespeist, die im allgemeinen allen Wicklungen gemeinsam ist. Die beiden Wicklungen empfangen dann Wechselspannungen in Form von Rechteckwellen, die gegeneinander um eine Viertelperiode verschoben sind. Beim Betrieb solcher Motoren ändert sich bekanntlich die in einer Wicklung durch den rotierenden Läufer induzierte elektromotorische Kraft periodisch; sie ist im Augenblick einer Umschaltung Null und geht zwischen zwei der betreffenden Wicklung zugeordneten Umschaltungen durch ein Maximum. Dagegen bleibt die an diese Wicklung angelegte Spannung dem Absolutwert nach konstant. Dieser Unterschied verursacht eine Zunahme des in der Umschaltzone absorbierten Stroms und somit einen schlechten Wirkungsgrad in dieser Zone, was sich auf den Gesamt wirkungsgrad des Motors ausübt \xrn ausserdem von Unregelmässigkeiten des Drehmoments im Verlauf jeder Umdrehung des Läufers begleitet ist.

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Motors mit bessere,® Wirkungsgrad und einer verbesserten Regelaässigkeit des Drehmoments.Bei dem erfindungsgemässen Motor tritt keine beträchtliche Zunahme des in der Umschaitzone absorbierten Stroms mehr auf.

Nach der Erfindung ist ein Motor mit einem Motorelement, das einen mit Wicklungen oder Permanentmagneten versehenen Erreger und einen aus wenigstens zwei in einem Zweiphasenscheraa angeordneten und mit Gleichstrom gespeisten Wicklungen gebildeten Anker hat, wobei der Läufer des Motorelements entweder durch den Anker oder durch den Erreger gebiLdet sein kann, und mit einem Detektorelement für die Läuferstellung, dass ein umlaufendes Teil, dessen Winkelstellung mit derjenigen

109823/12 7 8

des Läufers verknüpft ist, und wenigstens zwei auf diese Winkelstellung ansprechende Vorrichtungen enthält und Umschaltkreise steuert, welche die Umkehrung der Stromrichtung jeder Ankerwicklung bei jedem Vorbeigang eines Erregerpols bewirken dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltkreise derart in Serie geschaltet sind, dass die Gleichstromquelle die Ankerwicklungen in Serie speist.·

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigen:

Fjjg.1. das Schema eines Motors nach der Erfindung, bei dem die Winkelstellung des Läufers durch Halleffekt-fühler festgestellt wird, und

Fig.2 das Schema eines Motors nach der Erfindung, bei dem die Stellung des Läufers durch Bürsten festgestellt wird, die auf den Lamellen von K_ollektoren schleifen.

Der schematisch in Fig.1 dargestellte Motor enthält einen Resolver D und ein Element M, die jeweils einen Läufer enthalten. Der Läufer 1 des Resol'vers und der Iäifer 2 des Motorelements enthalten jeweils einen zweipoligen Permanentmagnet. Die Magnete sfcd auf der gleichen Achse X-X montiert oder in andrer Weise so angeordnet, dass sie stets in einem konstanten Winkel von 90 elektrischen Graden zueinander stehen ( so dass also bei ρ Polpaaren die wirkliche Versetzung 90° /p betragen würde). Der Läufer 1 des Resolvers dreht sich in einem Ring 3 aus weichoaagnetischem Material, der Bwei Hallgeneratoren G1, G2 trägt, die im Winkelabstand von 90 elektrischen <£gden voneinander liegen.

109823/ 1278

Die Hallgeneratoren werden durch den von einerQuelle V gelieferten Gleichstrom in Serie erregt. Jeder νο,η ihnen gibt eine Spannung ab, deren Amplitude sich in Abhängigkeit von der Läuferstellung ändert. Die beiden Spannungen sind um 90° phasenverschoben und werden den Eingängen von zwei Verstärkern A1 bzw. A2 zugeführt.

Jeder Verstärker A1, A2 besitzt zwei Ausgangskanäle. Ein Steuersignal erscheint entweder an dem einen oder an dem anderen Ausgangskanal jedes Verstärkers jedesmal dann, wenn sich die Polarität der diesem Verstärker zugeführten Hallspannung umkehrt. Wegen der für den Läufer des Resolvers gewählten Winkelversetzung tritt diese Umkehrung jedesmal dann ein, wenn der Motorläufer 2 an einer der beiden Zweiphasenwicklungen Ph1, Ph2 vorbeigeht, die auf dem Ständer St des Motorelements angebracht sind. Über Verbindungsdrähte 4 werden die Steuasignale den Steuerelektroden von zwei Gruppen C1, C2 von Ums chaItvorrichtungen zugeführt, beispielsweise Thyristoren oder anderen als Umschalter geschalteten Halbleitervorrichtungen. Die in Fig.1 gewählte Umkehrschaltung ist eine Wheatstonefeche Brückenschaltung. Bei einer solchen Schaltung enthält jede Umschaltgruppe vier Umschaltvorrichtungen, die jeweils in den vier Zweigen der Brücke liegen. Zwei in entgegengesetzten Brückenzweigen liegende UraschaItvorrichtungen befinden sich im stromführenden Zustand, während sich die beiden anderen Vorrichtungen im gesperrten Zustand befinden. Die Umschaltvorrichtungen ändern ihre Zustände paarweise, wenn ihre Steuerelektroden die Steuersignale empfangen, die von dem dieser Umschaltgruppe zugeordneten Verstärker abgegeben werden. Die Ständerwicklungen Ph1, Ph2 sind zwischen den Ausgangsklemmen P1-P11 bzw. P2-P22 der Ums chaItgruppeη angeschlossen. Unter diesen Bedingungen ist zu erkennen, dass eine zwischen den Speiseklemmen +L1, -L1 einer der Ums ehaltgruppeη angelegte

109823/1278

Spannung in der entsprechenden Stand erwicklung PhI einen Strom/erzeugt, dessen Richtung sich bei jedem Steuersignal umkehrt, also jedesmal dann, wennein Pol des Motorläufers 2 an dieser Wicklung vorbeigeht.

Erfindungsgemäss sind die beiden Umsehaltgruppeη 01, 02 in Serie geschaltet, indem die eine Spei seklemme -11 der ersten Gruppe mit der einen Speiseklemme +L2 der zweiten Gruppe über einen Widerstand E. von kleinem Wert verbunden ist, der als Shunt für Strommessungen verwendet werden kann.

Unter diesen Bedingungen lässt eine zwischen den beiden

anderen Speiseklemmen +L1,-L2 angelegte Spannung U den . J

gleichen Strom i durch die beiden StanderwicHungen Ph1, Ph2 fl ie ssen.

Diese S'erienausbildung der Stromversorgung der Ständerwicklungen s;eht im Widerspruch zu den bisher befolgten Regeln, nach denen diese Wicklungen wegen ihrer Zweiphasenausbildung getrennt gespeist werden mussten. Die erfindungsgemässe Ausbildung ergibt jedoch ein erstaunliches Ergebnis. Um dieses Ergebnis zu erfassen soll zunächst untersucht werden, wie sich die Speisespannung U bei jeder Umdrehung des Läufers auf die beiden Wicklungen aufteilt und welches anderungsgesetz sich daraus für den Strom ergibt. Bekanntlich induziert der Läufer 2 #ei der Drehung in den Wicklungen eine gegenelektromotorische Kraft, und diese Gegen-EMK ist sinusförmig oder von einer anderen periodischen Form, die durch die Topologie des Motors bedingt ist^; Form der Polmassen des Läufers oder der Nuten des Ständers, Luftspaltabmessung usw. Wegen der Kommutierung, die bei derStromversorgung der Wicklung periodisch erfolgt, ist die Gegen-EMK _f unabhängig von ihrer Phase, stets gegenphasig zu der Stromversorgungs-Gleichspannung. Daraus folgt, dass der scheinbare Widerstand einer Wicklung (Quotient aus der Potentialdifferenz an den Klemmen dieser Wicklung dividiert durch die hindurchfliessende Stromstärke)

1098 23/1278

umso grosser ist, je höher der Augenblicks wert der Gegen-EMK ist. Somit hat bei dem in Serie gespeisten Wicklungseystem Ph1, Ph2 die eine Wicklung einen kleinsten scheinbaren Widerstand r1 jedesmal dann, wenn ein Pol des Läufers an der Wicklung vorbeigeht, während die andere Wicklung im gleichen Augenblick einen maximalen scheinbaren Widerstand r2 hat. Der Widerstand hat einen für beide Wicklungen gleichen Zwischenwert r3, wenn die Wicklungen zu beiden Seiten eines Läuferppls liegen. In jedem Fall.ist die Summe der Potentialdifferenzen an den Klemmen der beiden in Serie geschalteten Wicklungen praktisch konstant und ^ gleich der Speisespannung U. Somit ist der durch die

beiden Wicklungen fliessende Strom t umgekehrt proportional zu der Summe der scheinbaren Widerstände, und er schwankt in einem Ausmass, für das gilt:

Ξ j, ι ,. _L_

, rl + r2 ^ : "** - 2-r3

Wenn keine besonderen Massnahmen getroffen werden,liegt die Welligkeit des Stroms i unter 30$ , und sie kann auf weniger als 5% verringert werden,wenn an der Topologie desMotors einige dem Fachmann bekannte Änderungen vorgenommen werden. Dies zeigt, dass die erfindungsgemässe Ausbildung die ~ Wirkung ergibt, dass die Wicklungen mit einem fast konstanten

oder wenig welligen Strom gespeist werden. Somit werden die Stromspitzen beseitigt, die man im Augenblick der Kommutierung bei den Motoren bekannter Art feststellen konnte, wodurch der sich daraus ergebende Verlust an Wirkungsgrad vermieden wird.

Ferner ergibt die bei der Erfindung angewendete Ausbildung den zusätzlichen Vorteil, dass das Drehmoment im Verlauf einer Umdrehung des Motors vergleichmässigt wird. Das sich aus der Wirkung der beiden Wicklungen ergebende Gesamtdrehmoment kann nämlich folgendermassen geschrieben werden: o1, + o2, _ el + e2
i ω

109823/1278 ·

Darin sind c1 und c2 die Drehmomente, die von den Wicklungen Ph1 und Ph2 bei einer bestimmten Winkelstellung des Läufers stammen, el und e2 die Gegen-EMKe, die um 90° phasenverschoben sind und bei dieser lauferstellung an den Klemmen der Wicklungen erscheinen, und oJ die Winkelgeschwindigkeit des Käufers.

Man kann annehmen, dass die Winkelgeschwindigkeit *» gleichförmig ist. Da der Strom i fast konstant ist, ändert sich das gesamte Drehmoment wie die Summe der gegenelektromotorischen Kräfte. Selbst wenn die Gegen-EMKe sinusförmig sind, und es lassen sich günstigere Kurvenformen finden, ist die Welligkeit des Drehmoments kleiner als im Falle der Motoren bekannter ( Art.

Die Erfindung ist in Bezug auf einen Motor beschrieben worden, bei dem das Detektorelement für die Läuferstellung Halleffekt-Fühler enthält. Es ist aber zu bemerken, dass die erfindungsgemässe Ausbildung auch bei anderen Arten von Motoren angewendet werden kann, bei denen die läuferstellung beispielsweise durch optische , photoelektrische , magnetische, mangetoresistive oder andere Fühler und sogar durch Schleifkontakte festgestellt wird.

Pig.2 zeigt als Beispiel einen nach der Erfindung ausgebildeten Motor, dessen Detektorelement zwei Kollektoren K1 und K2 mit zwei Lamellen sowie zwei Bürstenpaare B1, B11 bzw. B2, B22 enthält. Der Erreger H-S ist feststehend, während sich der Anker Ph1, Ph2 dreht. Es 1st zu erkennen, dass die Bürsten-Kollektor-' anordnungen zugleich die Punktionen der Läuferstellungsdetektoren und der Kommutierungsorgane erfüllen. Zwei Bürsten B1, B2 sind miteinander verbunden, während die Speisespannung U an die beiden anderen Bürsten angelegt wird. Dadurch werden die beiden Wicklungen Ph1, Ph2 in Serie gespeist.

109823/1278

Die vorstehende Beschreibung zeigt, dass der erfindungsgemässe Gleichstrommotor die Erzielung eines guten Wirkungsgrads und einer geringen Welligkeit des Drehmoments ermöglicht.Versuche, die an einem solchen Motor durchgeführt worden sind, haben gezeigt, dass seine Betriebseigenschaften denjenigen eines idealen Gleichstrommotors sehr nahe kommen, nämlich einem Drehmoment, dessen Änderung von Vollast (entsprechend der Drehzahl Null des Motors) bis zumLeerlauf ( entsprechend einem Drehmoment Null) linear verläuft, und einem Wirkungsgrad, der im Leerlauf praktisch gleich 1 ist.

Wenn der erfindungqgemässe Motor keinen Kollektor, sondern Hall-Plättchen oder andere kontaktlose Fühler enthält, kann er in der Raumfahrttechnik Anwendung finden, und ganz allgemein in allen Fällen, wo die Verwendung, von Kontakten nicht empfehlenswert ist. Wenn der Motor dagegen mit Kollektoren ausgestattet ist, kann er für sehr alltägliche Zwecke Anwendung finden, beispielsweise als Scheibenwischermotor, denn seine Konstruktion ist wegen der Einfachheit der Wicklungen und der geringen Anzahl der Kollektorlamellen sehr einfach und billig.

Pate nta ns pr üche

1 09823/1278

Claims

Pate nta ns prüo he

1.j Motor rait einem Motorelement, das einen mit Wicklungen oder Permanentmagneten versehenen Erreger und einen aus wenigstens zwei in einem Zweiphasenschema angeordneten und mit Gleichstrom gespeisten Wicklungen gebildeten Anker hat, wobei der Läufer des Motorelements"entweder durch den Anker oder durch den Erreger gebildet sein kann, und mit einem Detektorelement für die Lauferstellung,das ein umlaufendes Teil, dessen Winkelstellung mit derjenigen des Läufers verknüpft ist, und wenigstens zwei auf diese Winkelstellung ansprechende Vorrichtungen enthält und Umschalt- ' kreise steuert, welche die Umkehrung der Stromrichtung in jeder Ankerwicklung bei jedem Vorbeigang eines Errega:- pols bewirken, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltkreise derart in Serie geschaltet sind, dass die Gleichstromquelle die Ankerwicklungen in Serie speist.

2. Motor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Erreger einen Permanentmagnet enthält und den Läufer bildet.

3. Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,, dass das Detektorelement Halleffekt-Vorrichtungen enthält.

4. Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die auf die Winkelstellung ansprechenden Vorrichtungen Schleifkontakte sind.

5. Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die auf die Winkelstellung ansprechenden Vorrichtungen felderapfindlich sind.

6. Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die auf die Winkelstellung ansprechenden Vorrichtungen strahlungsempfindlich si ud.

109823/1278

7. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Ums chal tiere is eine Wheatstone'sehe Brückenschaltung ist, von der jeder Zweig eine Umschaltvorrichtung enthält, und dass die Speisediagonalen der Brückenschaltungen in Serie an die Klemmen der Gleichstromquelle angeschlossen sind.

8. Motor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltvorrichtungen Thyristoren, Transistoren oder andere Halbleitervorrichtungen sind.

109823/127 8.