DE2101937B2

DE2101937B2 - Kollektorloser gleichstrommotor

Info

Publication number: DE2101937B2
Application number: DE19712101937
Authority: DE
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1970-01-16
Filing date: 1971-01-15
Publication date: 1977-09-22
Also published as: DE2101937A1; DE2101937C3; GB1293291A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen kollektorlosen Gleichstrommotor mit einem Rotor und mit mehreren Ständerwicklungen, die in einer bestimmten Reihenfolge nacheinander durch eine aus steuerbaren Haibleiterschaltelementen aufgebaute Kommutierungseinrichtung an eine Gleichstromquelle schaltbar sind, mit einer Steuereinrichtung, die Steuersignale für die Aussteuerung der Steuerelektroden der Halbleiterschaltelemente in Abhängigkeit jeweils von einem nur den Anlauf ermöglichenden ersten Drehstellungsdetektor und von einem während des Laufes des Motors wirksamen zweiten Drehstellungsdetektor erzeugt

Ein derartiger kollektorloser Gleichstrommotor ist aus der CH-PS 3 75 422 bekannt. Bei diesem bekannten kollektorlosen Gleichstrommotor arbeitet der erste Drehstellungsdetektor photoelektrisch, elektromechanisch oder über eine Änderung der Kapazität oder des magnetischen Widerstandes in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Rotors. Der zweite Drehstellungsdetektor, der während des Laufes des Motors wirksam ist, besteht aus Zusatzspulen, die auf den Kernen der Statorwicklungen angeordnet sind und in denen durch die Drehung des Rotors eine Spannung induziert wird, die an der Basis von zugehörigen Transistoren liegt, die als Schaltelemente im Versorgungskreis der Ständerwicklungen liegen.

Die Rotordrehstellungsdetektoren, die bei diesem bekannten Gleichstrommotor als erster Drehstellungsdetektor in Frage kommen, weisen ein Element auf, das mechanisch mit dem Rotor gekoppelt ist. Würde ein derartiger mechanischer Detektor auch als zweiter Drehstellungsdetektor verwandt, um die Stellung des umlaufenden Rotors zu bestimmen, so würden sich Schwierigkeiten ergeben, die Steuersignale in bestimmten, genau eingehaltenen Intervallen zu erhalten, da die am Stator angebrachten Detektorelemente nicht gleichförmig arbeiten. Arbeitet der Detektor magnetisch, so ergeben sich darüber hinaus Schwierigkeiten, wenn der Motor belastet wird, da der kombinierte magnetische Fluß des Rotors durch die Reaktion des Ständers räumlich verschoben wird. Das hat zur Folge, daß ein mechanischer Detektor, bei dem die Aufnahmeelemente räumlich fest an bestimmten Stellen angebracht sind, zu einer Verschiebung der Kommutierungsgrenze und einer Herabsetzung der Überlastbarkeit neigt. Der grundsätzliche Nachteil der Verwendung von Rotordrehstellungsdetektoren mit einem Element, das mechanisch mit dem Rotor gekoppelt ist, besteht jedoch darin, daß der Aufbau des Rotors äußerst kompliziert wird, da die räumliche Zuordnung der einzelnen Elemente des Detektors außerordentlich genau eingehalten werden muß. Diese Schwierigkeit wird bei dem bekannten Gleichstrommotor dadurch überwunden, daß der zweite während des Laufes des Motors wirksame Drehstellungsdetektor nicht mechanisch mit dem Rotor gekoppelt ist, da er aus Hilfsspulen besteht, die auf den Kernen der Ständerwicklung angeordnet sind. Der Nachteil dieser Ausbildung des zweiten Drehstellungsdetektors liegt darin, daß ein derartiger induktiv arbeitender Detektor Einflüssen aus der Umgebung des Motors ausgesetzt ist, wenn der Motor, wie es allgemein der Fall ist, an einem Ort eingesetzt wird, an dem äußere Bedingungen herrschen, die für derartige Detektoren ungünstig sind und die Arbeit dieser Detektoren nicht unerheblich beeinflussen können. Darüber hinaus wird der Aufbau der Ständerwicklung durch die zusätzliche Anordnung der Hilfsspulen kompliziert.

Bei einem weiteren bekannten, kollektorlosen Gleichstrommotor, der in der Zeitschrift »Toshiba-Review«, Band 24-7, 1969, S. 901 bis 905, beschrieben wird, dient gleichfalls ein mechanischer Detektor als Rotordrehstellungsdetektor, der ein Element aufweist, das mechanisch mit dem Rotor gekoppelt ist

Aus der Zeitschrift »Elektronik« 1969, S. 105 bis 108, ist weiterhin ein Gleichstrommotor bekannt, bei dem die Rotordrehstellung mittels einer räumlich festen Lichtquelle und einem an der Läuferwelle mechanisch fest angebrachten Schirm erfolgt Um den Umfang des Läufers herum angeordnete Photodioden empfangen bei bestimmten Stellungen des Rotors Licht von der zentralen Lichtquelle und dienen dazu, den Strom der Rotordrehstellung entsprechend auf die Wicklungen des Ständers umzuschalten. Auch dieser Detektor ist ein Beispiel für einen Rotordrehstellungsdetektor der genannten Art, bei dem ein Element mechanisch mit dem Rotor gekoppelt ist Aus der Zeitschrift »Funk-

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Technik« 1968, S. 603 und 604, ist es darüber hinaus bekannt, lichtelektrische Steuerelemente, insbesondere Lumineszenzdioden, als Lichtsender zu verwenden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen kollektorlosen Gleichstrommotor der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem der während des Laufes des Motors wirksame zweite Drehstellungsdetektor nicht mechanisch mit dem Rotor gekoppelt ist und aus Halbleiterbauelementen aufgebaut ist

Dazu soll die vom Rotor während seines Laufes in den ι ο Wicklungen induzierte Gegen-EMK zum Betreiben der Halbleiterbauelemente herangezogen werden.

Diese Aufgabe wird bei einem kollektorlosen Gleichstrommotor der eingangs genannten Art nach der Erfindung dadurch gelöst, daß als zweiter Drehstellungsdetektor Lumineszenzhalbieiterdioden mit jeweils zugeordneten lichtempfindlichen Halbleiterbauelementen als Lichtempfänger und zur Erzeugung von elektrischen Signalen verwendet sind, wobei die Lumineszenzhalbleiterdioden derart an die Ständerwicklungen geschaltet sind, daß sie durch die während des Betriebes jeweils in den Ständerwicklungen induzierten Gegen-EMK's erregbar sind, und wobei die von den lichtempfindlichen Halbleiterbauelementen erzeugten Signale der Steuereinrichtung zugeführt sind.

Der erfindungsgemäße Gleichstrommotor hat gegenüber der Verwendung eines mechanischen Drehstellungsdetektors den Vorteil, daß eine Verschiebung der Kommutierungsgrenzen nicht auftritt, da sich die Höhe der induzierten Spannung entsprechend der Verschiebung des kombinierten magnetischen Flusses im Raum ändert Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß der zweite Drehstellungsdetektor keinen Einflüssen aus der Umgebung des Motors ausgesetzt ist, wenn der Motor, wie es allgemein der Fall ist, an einem Ort eingesetzt wird, an dem äußere Bedingungen herrschen, die für die Arbeit von magnetischen oder anderen Detektoren ungünstig sind und die Arbeit dieser Detektoren nicht unerheblich beeinflussen könnea Schließlich ist der Aufbau des Rotors und Ständers beim erfindungsgemäßen Gleichstrommotor wesentlich einfacher, da die sonst erforderliche exakte räumliche Zuordnung der Elemente des Drehstellungsdetektors entfällt.

Eine zweckmäßige weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gleichstrommotors besteht darin, daß bei einer dreiphasigen, in Stern geschalteten Ständerwicklung der zweite Drehstellungsdetektor eine dreiphasige, aus sechs Lumineszenzhalbleiterdioden bestehende Brückenschaltung enthält, die mit den freien Enden der Ständerwicklung verbunden ist. Es ist darüber hinaus zweckmäßig, daß bei einer dreiphasigen, in Stern geschalteten Ständerwicklung der zweite Drehstellungsdetektor drei Lumineszenzhalbleiterdiodenschaltungen aus antiparallelgeschalteten Lumineszenzhalbleiterdioden enthält, die jeweils an die freien Enden der Ständerwicklungen angeschlossen sind.

Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele wird die Erfindung im folgenden näher erläutert Es zeigt

Fig. IA ein schematisches Schaltbild einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen kollektorlosen Motors,

Fig. IB den Aufbau eines Rotors für die Ständerwicklung der F i g. 1A,

Fig. IC die Lumineszenz der Lumineszenzdioden in der Halbleiterdiodenschaltung der Fig. IA in Abhängigkeit von der Drehrichtung des Rotors,

Fig. ID die Beziehung zwischen der Lumineszenz der Lumineszenzdioden der Fig. IA und dem in der Ständerwicklung fließenden Strom,

Fig.2A das schematische Schaltbild einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen kollektorlosen Motors,

F i g. 2B die Arbeitsweise der Lumineszenzdioden der Fig.2A,

F i g. 3A das schematische Schaltbild eines kollektorlosen Motors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 3B die Phasenspannungen der Gegen-EMK,

F i g. 3C die Lumineszenzzeiten der Lumineszenzdioden zur Messung der Rotorstellung,

F i g. 3D die zeitliche Zuordnung der Ausgangssignale des UND-Gliedes 26 der F i g. 3A,

Fig.3E und 3F die gegenseitige Beziehung der Leitungszeiten der den Kommutator der Fig.3A bildenden gesteuerten Siliziumgleichrichter,

F i g. 4A ein Blockdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen kollektorlosen Motors, bei der eine Einphasen-Wechselspannungsquelle verwendet wird und bei der nur beim Anlaufen des Motors ein mechanischer Rotor-Drehstellungsdetektor verwendet wird,

Fig.4B den Aufbau des mechanischen Rotor-Drehstellungsdetektors der F i g. 4A,

Fig.4C die Arbeitsweise der mechanischen Rotor-Drehstellungs- Detektorelemente der F i g. 4B,

Fig.4D die gegenseitige zeitliche Beziehung der Ausgangssignale von den mechanischen Rotor-Drehstellungsdetektoren der F i g. 4A in Form der in F i g. 3D gezeigten Signalbeziehungen,,

Fig.5 das Blockdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen kollektorlosen Motors, wobei die Spannungsquelle aus einer dreiphasigen Wechselspannungsquelle besteht, und

Fig.6 das schematische Schaltbild einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen kollektorlosen Motors, bei dem die Spannungsquelle aus einer variablen Gleichstrom-Spannungsquelle besteht und bei dem der Betrieb und die Abschaltung der Spannungsquelle durch einen Ausgleich zwischen dem Ausgangssignal von einem Drehzahldetektor und Drehzahl-Steuersignale gesteuert wird

Der kollektorlose Gleichstrommotor der Fig. IA enthält eine Gleichstromquelle 1, eine dreiphasige Ständerwicklung mit in Sternschaltung geschalteten Wicklungen U, Fund W, einen statischen Kommutator SCR mit gesteuerten Siliziumgleichrichtern Si bis Se, die zusammen als dreiphasiger Vollwellengleichrichter wirken, dessen Eingangsklemme an die Gleichstromquelle und dessen Ausgangsklemme an die Ständerwicklung angeschlossen ist. Der kollektoriose Motor enthält ferner eine Halbleiterdiodenschaltung 2 aus 6 Lumineszenzdioden Dt bis A, die in Form eines dreiphasigen Vollwellengleichrichters geschaltet sind, dessen Eingangsklemme mit der Ständerwicklung und dessen Ausgangsklemme mit einem Belastungswiderstand R verbunden ist. Femer enthält die Schaltung Fototransistoren 3 (in entsprechender Anzahl für die Lumineszenzdioden) zur fotoelektrischen Umwandlung der Lichtstrahlen von den Lumineszenzdioden eine Steuereinrichtung 4 zur Aufnahme der elektrischen Ausgangssignale von den Fototransistoren und zur Erzeugung von Steuersignalen für die gesteuerten Gleichrichter, um die Steueranschlüsse derselben zum Antrieb des Rotors zu steuern, und einen Rotor 5a (Fig. IB). Der Rotor 5a ist mit Magnetpolen N und 5 versehen und

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dreht sich entsprechend den Stromphasen in den Ständerwicklungen gegenüber dem Ständer 6. Der Rotor 5a ist ferner mit Erregerwicklungen 9 versehen, so daß er durch eine Gleichstromquelle 8 beim Einschalten eines Schalters 7 auf die angezeigte Polarität erregt werden kann. An den Ausgang der Fototransistoren 3 kann ein Wellenformer angeschlossen werden.

Die Lumineszenzdioden Di bis D₆ sind so angeschlossen, daß sie gemäß Fig. IC bezüglich der jeweiligen _!0 Phasenwicklungen Lichtstrahlen abgeben, nämlich in der durch den Pfeil 10 angedeuteten Reihenfolge bei normaler Drehung und in der durch den Pfeil 11 angedeuteten Reihenfolge bei entgegengesetzter Drehung. Bei Lumineszenz fließt ein Strom durch die einzelnen Phasen der Ständerwicklungen, der entsprechend F i g. 1D zu der Lumineszenz der Lumineszenzdioden in Beziehung steht. Werden die Phasen der Ständerwicklungen in dieser Reihenfolge oder Beziehung gespeist, läuft der Rotor kontinuierlich um. Die Speise-Steuersignale werden mittels einer bekannten Steuereinrichtung 4 aus den Ausgangssignalen der Fototransistoren 3 gebildet.

Zum Anlaufen des kollektorlosen Motors wird der Schalter der F i g. 1B eingeschaltet, so daß die Erregerwicklung 9 durch die Gleichstromquelle 8 gespeist wird. Zu dieser Zeit wird in der Ständerwicklung entsprechend der Stellung des Rotors 5a (F i g. 1 B) eine Transformations-EMK induziert. Die jeweiligen Phasenwicklungen liegen gegeneinander unter einem Winkel von 120° (elektrisch), so daß durch die Stromeinspeisung in der in Fig. IB mit ausgezogenen Linien gezeigten Stellung des Rotors 5a in Wicklungen der Phasen Kund Weine Spannung induziert wird. Bei Einschaltung des Stroms, wenn der Rotor in der in Fig. IB in gestrichelten Linien angedeuteten Lage steht, wird in den Phasen der Ständerwicklungen Wund U eine Spannung induziert. Steht daher der Rotor 5a beim Start in der in ausgezogenen Linien gezeigten Lage, so erzeugen die Dioden D₂ und D₆ Licht. Steht der Rotor 5a in der in gestrichelten Linien gezeigten Lage, so geben die Dioden D3 und D₄ Licht ab.

Die in der Ständerwicklung induzierte Transformations-EMK und die hierin durch die Rotordrehung erzeugte Gegen-EMK sind um 90° gegeneinander phasenverschoben, so daß die Messung der Rotorstellung beim Start unter Berücksichtigung dieser Tatsache erfolgen sollte. Beim Start des kollektorlosen Motors weisen nämlich die Lumineszenzdioden und die gesteuerten Siliziumgleichrichter im Kommutator folgende Beziehung auf: Di♦»■Si, D2++S3, Di**S\, D^**Ss, D₅-H-S₆ und A-W-S₄.

Wird bei dieser Beziehung Strom zugeführt, wenn der Rotor 5a in der in ausgezogenen Linien gezeigten Lage steht, so werden durch die den Lumineszenzdioden D₂ und D₆ entsprechenden Fototransistoren zwei Signale erzeugt, so daß den entsprechenden gesteuerten Gleichrichtern SV und S₄ durch die Steuerschaltung Zündsignale zugeführt werden. Bei Leitung der gesteuerten Gleichrichter S3 und S₄ wird den Phasen der Ständerwicklungen W und U Strom zugeführt. Beim Schnitt zwischen der im Ständer durch den Strom induzierten magnetomotorischen Kraft und der durch den Rotor 5a erzeugten magnetomotorischen Kraft erfolgt dessen Drehung. Bei Drehung des Rotors 5a wird in der Ständerwicklung eine Gegen-EMK induziert. Wird zu dieser Zeit die Beziehung zwischen den Lumineszenzdioden und den gesteuerten Siliziumgleichrichtern auf D\**S\, D2**S2, D3+*Ss, D^-t+S*, D5++S5 und De**Se geändert, so wird der Rotor auf normale Drehung bei maximalem Drehmoment gebracht. Die Umschaltung der Beziehung erfolgt in der genannten Steuerschaltung 4.

Die Halbleiterdiodenschaltung braucht nicht stets als dreiphasige Vollwellen-Gleichrichterschaltung gemäß Fig. IA ausgeführt zu sein. Die Schaltung kann auch dadurch gebildet werden, daß die Lumineszenzdiodenschaltungen 13a, 136 und 13c in Fig.2A zwischen die nebeneinanderliegenden Eingangsklemmen der Ständerwicklung geschaltet werden. Die Lumineszenzdiodenschaltung 13a besteht aus der Antiparallelschaltung einer Reihenschaltung mit einer Lumineszenzdiode Dn und einem Widerstand Ru und einer Reihenschaltung mit einer Lumineszenzdiode D_t4 und einem Widerstand Ru- Die Schaltungen 136 und 13c sind in ähnlicher Weise aufgebaut wie die Schaltung 13a Die Lumineszenzdioden und Widerstände der Schaltungen 136 und 13c sind mit den in der F i g. 2A angegebenen Bezugszeichen bezeichnet. Ferner sind Fototransistoren

3 entsprechend den Dioden und eine Steuereinrichtung

4 vorgesehen. In der Steuereinrichtung 4 sind die Ausgänge der Fototransistoren 3 in Gruppen an ein UND-Glied geführt, dessen Ausgangssignale wiederum als Zündsignale den gesteuerten Gleichrichterelementen des Kommutators zugeführt werden. Durch die in den Ständerwicklungen U, V und W induzierte Spannung werden Lumineszenzdioden Du bis D₎₆ gemäß F i g. 2B ein- und ausgeschaltet, wobei die schraffierten Bereiche die EIN-Periode und freigelassenen Bereiche die AUS-Periode darstellen. Es seien nun die Ausgangs-Meßsignale der Lumineszenzdioden Du, Dn, Db, Dm, D₎₅ und D₎₆ als b, c, a, b, cbzw. a bezeichnet. Dann entspricht das UND-Signal a ■ b (a und b) dem Ausgangssignal des mit den Meßsignalen von der Lumineszenzdiode D\ in der Ausführungsform der F i g. 1A gespeisten Fototransistors. Auf ähnliche Weise entsprechen die UND-Signale b · c, a ■ b, a ■ c, b ■ c und a · c den Ausgangssignalen von den mit den Meßsignalen von den Lumineszenzdioden D₂, D₃, D₄, D5 und De der Fig. IA gespeisten Fototransistoren. Wird daher der Kommutator SCR (Fig. IA) bei normaler Drehung des Motors so gesteuert, daß der Siliziumgleichrichter Si durch die Meßsignale von den Dioden Dn und D16, der Siliziumgleichrichter S₂ durch die Signale von den Dioden Di₂ und Dm, der Siliziumgleichrichter S₃ durch die Meßsignale von den Dioden Du und Dis, der Siliziumgleichrichtet Sa durch die Meßsignale von den Dioden D₎₃ und Dm, der Siliziumgleichrichter S5 durch die Meßsignale von den Dioden Du und Di 5 und der Siliziumgleichrichter Se durch die Dioden D12 und D16 leitend gemacht wird, so arbeitet die Ausführungsform der Fig.2 in der gleichen Weise und mit der gleichen Wirkung wie die der F i g. 1A.

In der Ausführungsform nach der F i g. 2A besitzt der Rotor 5a den gleichen Aufbau wie der in Fig. IB. Dementsprechend besteht eine Phasendifferenz von 90° zwischen der in der Ständerwicklung erzeugten Transformations-EMK, wenn der Rotor steht, und einer Gegen-EMK, die durch die Rotordrehung in die Wicklung induziert wird. Wie bei der Ausführungsform der Fig. IA sollen daher die Lumineszenzdioden beim Start des Motors gegenüber den gesteuerten Siliziumgleichrichtern eine derartige Beziehung aufweisen, wie sie sich durch einen elektrischen Winkel von 90° ergibt.

F i g. 3A zeigt in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung einen kollektorlosen Motor. Die beiden

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Anschlüsse einer einphasigen Wechselstromquelle la sind mit den Eingangsklemmen der Ständerwicklungen U, V und W verbunden, und zwar über Drosseln 23a, 236, 23c und 23t/ und eine erste dreiphasige Brückenschaltung 24.4 und eine zweite dreiphasige Brückenschaltung 24B. Der Kommutator ist so an die jeweiligen Ständerwicklungen angeschlossen, daß ihnen ein Wechselstrom zugeführt wird Die erste Brückenschaltung 24A enthält steuerbare Siliziumgleichrichter Sw, Sn, Su, Sn, Si» und 5i9. Die zweite Brückenschaltung 24ß enthält steuerbare Siliziumgleichrichter Sh, S15, Si₆, S20, S21 und S22. Die Halbleiterdiodenschaltung 2a zur Messung der Rotorstellung besteht aus den Lumineszenzhalbleiterdiodenschaltungen 13a, 136 und 13c sowie den Fototransistoren 3, wie es in F i g. 2A dargestellt ist.

Die Lichtstrahlen von den Lumineszenzdioden D\ \ bis D\t werden durch sechs Fototransistoren 3 in elektrische Signale umgewandelt. Die elektrischen Signale von der Halbleiterdiodenschaltung werden weiter in einer ersten logischen Schaltung mit Und-Gliedern 26 in Signale umgewandelt, die einer zweiten logischen Schaltung mit UND-Gliedern 27 zugeführt werden. Die zweite logische Schaltung ist derart ausgebildet, daß sie eine UND-Operation durchführt, wenn sie mit Signalen 30, die die positive oder negative Polarität der Einphasen-Wechselstromquelle la anzeigen, d.h. die anzeigen, ob der Strom von der Klemme 28 zur Klemme 29 oder in Gegenrichtung fließt, mit Phasensteuersignalen F zur Steuerung der Drehzahl des Motors und mit den sechs Signalen von der ersten logischen Schaltung versorgt wird.

Die zweite logische Schaltung liefert ihrerseits Steuersignale den Steuerelektroden der Siliziumgleichrichter Su bis S22 des Kommutators SRC. In diesem Fall wird das Ausgangssignal der zweiten logischen Schaltung zwölf Impulstransformatoren 33 geliefert. Die Sekundärwicklung jedes Impulstransformators 33 liegt zwischen der Steuerejektrode und der Kathode des entsprechenden steuerbaren Siliziumgleichrichters.

Fig.3B zeigt die Gegen-EMKs V₁₁, VV und V_w, die durch die Rotordrehung in der Ständerwicklung induziert werden. F i g. 3C zeigt die Lumineszenzzeitintervalle Du bis D_i6 (F i g. 2A), wobei die Lumineszenzintervalle schraffiert dargestellt sind.

F i g. 3D zeigt die Beziehung der sechs Signale Qi bis Q₆, die durch die von der Lumineszenz resultierenden Gruppensignale in dem UND-Glied 26 gewonnen werden. Die sechs Dioden Dn bis D\ ₆ geben entsprechend der zwischen nebeneinanderliegende Klemmen der Ständerwicklungen induzierten Spannung und der Polarität derselben Licht ab, wodurch die in den F i g. 3C und 3D gezeigten Signale erzeugt werden.

An dieser Stelle ist zu erwähnen, daß durch die von der Lumineszenz der Lumineszenzdioden Dn bis £>₎₆ abgeleiteten Signale, die direkt durch die in den Ständerwicklungen induzierte Gegen-EMK erzeugt wird, der Voreilwinkel γ der Kommutierung konstant gehalten werden kann. Die Gegen-EMK wird in ihrer Wellenform deformiert und eilt durch die Ankerrückwirkung in der Phase vor. Beim erfindungsgemäßen kollektorlosen Motor jedoch wird die Gegen-EMK direkt gemessen, nachdem sie der Ankerrückwirkung unterworfen wurde, so daß die vom Rotor-Drehstellungsdetektor 2a einschließlich des photoelektrischen Umwandlers 3 erzeugten Signale und die EMK stets eine konstante Beziehung zueinander einhalten und der Voreilwinkel γ der Kommutierung ebenfalls konstant bleibt. Im Gegensatz dazu ändert sich bei bekannten Motorschaltungen der Voreilwinkel der Kommutierung entsprechend der Last, so daß z. B. die Überlastbarkeit und die Drehzahlregulierung ungünstig beeinflußt werden.

Die vorstehende Beschreibung der Ausfühningsform der F i g. 3 bezieht sich auf den Fall, in dem durch die Drehung des Rotors 3a eine Gegen-EMK erzeugt wird. Zum Anlaufen des Motors braucht lediglich der Schalter 7 eingeschaltet zu werden, so daß in die Ständerwicklungen wie bei den Ausführungsformen der F i g. 1A und 2A eine Transformations-EMK induziert wird.

Im folgenden sollen nun die aufeinanderfolgenden Betriebsstufen der erfindungsgemäßen Motorschaltung gemäß Fig.3A beschrieben werden. Die Einphasen-

ij wechselspannungsquelle la ist an die Kommutatorschaltung angeschlossen. Zum UND-Glied 27 werden Phasensteuersignale F geleitet, und der Rotor 5a wird durch die Erregerwicklung 9 schnell erregt. Die Halbleiter-Diodenschaltung 2a mißt die in der Ständerwicklung durch die schnelle Erregung induzierte Transformations-EMK und führt entsprechend der Rotorstellung dem UND-Glied 26 Signale zu, das wiederum für die Rotordrehstellung kennzeichnende Signale erzeugt und diese zum UND-Glied 27 weiterleitet. Das UND-Glied 27 verknüpft die Polaritätssignale 30, die Phasensteuersignale F und die Rotordrehstellungssignale und führt zwei der sich ergebenden Ausgangssignale, die die erforderlichen Bedingungen erfüllen, den entsprechenden Impulstransformatoren 33 zu, so daß durch das Ausgangssignal der Sekundärwicklung des Impulstransformators zwei gesteuerte Siliziumgleichrichter leitend gemacht werden.

Unter der Annahme, daß die gewählten gesteuerten Siliziumgleichrichter die Elemente Sn und S21 sind, fließt ein Strom von der Ständerwicklung t/zur Wicklung V. Durch die gemeinsame Wirkung der durch den Strom in den Ständerwicklungen induzierten magnetomotorischen Kraft und der durch die Erregerwicklung 9 erzeugten magnetomotorischen Kraft wird der Rotor 5a angetrieben. Ist beim Anlaufen des Motors die Rotationsfrequenz des Rotors 5a wesentlich geringer als die Frequenz der Spannungsquelle, so treten wiederholt, unter der Annahme, daß der Strom von der Wicklung U zur Wicklung V fließt, zwei Betriebsarten auf:

Sii-> Wicklung U* Wicklung VU S21 und Su-*
Wicklung U-* Wicklung V-Si₈-

In diesem Zustand erfolgt die Kommutierung der gesteuerten Gleichrichterelemente durch die Spannung der Spannungsquelle.

Erhöht sich die Drehzahl des Rotors 5a, so leiten die gesteuerten Siliziumgleichrichter kontinuierlich in der in den F i g. 3E und 3F gezeigten Folge, so daß der Motor in seinen normalen Betriebszustand gebracht wird. Fig.3E gibt den Fall wieder, in dem die Einphasen-Wechselspannungsquelle la eine positive Polarität annimmt, d. h, der Strom fließt von der Klemme 28 zur Klemme 29 (umgekehrt im Fall der F i g. 5F). Bei der in F i g. 3 gezeigten Ausführungsform erfolgt die Kommutierung der gesteuerten Siliziumgleichrichter durch die in den Ständerwicklungen induzierte Gegen-EMK.

F i g. 4A zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Motorschaltung. Der Unterschied zwischen den Ausführungsformen der F i g. 3A und 4A besteht darin, daß die letztere einen mit dem Rotor 5b gekuppelten mechanischen Drehstellungsdetektor 34 zur Feststellung der Motorstellung beim Anlaufen des

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ίο

Motors enthält Der Rotor-Drehstellungsdetektor 34 besteht aus einer umlaufenden magnetischen empfindlichen Platte 17a (F i g. 4B), die an der umlaufenden Welle 16 befestigt ist, sowie aus drei Meßelementen 18a, ISb und 18t; die am Stator mit einem Winkelabstand von 120° befestigt sind. Ist die in den Ständerwicklungen induzierte Gegen-EMK gleich Null oder sehr gering, so werden Signale erzeugt, die die Rotordrehstellung vom Rotor-Drehstellungsdetektor 34 und damit von den Meßelementen 18a, 186 und 18c anzeigen. Steigt die Drehzahl des Rotors infolge der Zufuhr der Signale zum UND-Glied 26, so daß die Gegen-EMK in der Ständerwicklung so weit erhöht wird, daß der Rotor-Drehstellungsdetektor 2a betätigt wird, so wird dessen Ausgangssignal (Ausgangssignale der Phototransistoren 3) dem UND-Glied 26 zugeführt. Dreht sich die umlaufende magnetisch empfindliche Platte 17a der Fig.4B im Uhrzeigersinn, so entspricht die Zeitfolge der Signale von den Meßelementen 18a, 186 und 18cder Fig.4C (wo die Leitungsphase jeweils schraffiert dargestellt ist). Ein Vergleich der Signale von den Detektoren der Fig.4C mit der Lumineszenz der Lumineszenzdioden der F i g. 3C zeigt, daß die Folgen 18a, 186,18c, 18a, 186 und 18c den Folgen D₁₆, D_u, D_i5, Dn, Du und D12 entsprechen. Entsprechend werden vom Rotor-Drehstellungsdetektor 34 sechs Signale mit der in Fig.4D gezeigten Zeitfolge erzeugt. Bei der in Fig.4 gezeigten Ausführungsform wird die mechanische Einrichtung zur Messung der Rotorstellung nur beim Anlaufen des Rotors benutzt, so daß der überwiegende Teil der Nachteile bekannter Motorschaitungen vermieden wird.

Der erfindungsgemäße Motor ist ferner als aus einer dreiphasigen Drehstromquelle gespeister kollektorloster Motor verwendbar. Der Unterschied zwischen der Ausführungsform der Fig.5 und der der Fig.4A besteht darin, daß beim ersteren die Spannungsquelle \b dreiphasig ist, daß der statische Kommutator SCR aus drei Brückenschaltungen 24E, 24F und 24G mit den Siliziumgleichringern S 31 bis 547, die über Drosseln 23a bis 23/gespeist sind, besteht, und daß 18 Impulstransformatoren 33a vorgesehen sind, wobei natürlich das UND-Glied 27a unterschiedliche Ausgangssignale erzeugt

Zum Anlaufen des Motors kann entweder die Schnellerregerwicklung 9 oder der mechanische Rotordrehstellungsdetektor 34 und der Schalter 35 verwendet werden, die beide in gestrichelten Linien gezeigt sind. Die Ausführungsform der F i g. 5 hat die gleichen Wirkungen wie die vorhergehenden, weil zur Bestimmung der Rotorstellung während des Motorbetriebes Meßeinrichtungen mit einer Halbleiterschaltung verwendet werden.

F i g. 6 zeigt einen kollektorlosen Motor gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, der durch eine variable Gleichstromquelle gespeist wird. Die variable Gleichstromquelle te ist über eine Drossel 23 und den Kommutator SRC mit den Siliziumgleichrichtern Si bis Se mit den Ständerwicklungen verbunden. Der Kommutator ist mit der umlaufenden magnetischen empfindlichen Platte 17a versehen, der mechanische Rotordrehstellungsdetektor 34 besteht aus den Meßelementen 18a, 18Z) und 18c und dem vom Rotor 5b angetriebenen Drehzahldetektor 38. Der Rotordrehstellungsdetektor 2a enthält die Schaltungen 13a, 136 und 13c der F i g. 2A und Einrichtungen zur fotoelektrischen Umwandlung des Lichts von den Lumineszenzdioden in den Schaltungen. Das Ausgangssignal von den Rotordrehstellungsdetektoren 2a und 34 wird dem Schalter 35 zugeführt. Liegt die Ausgangsspannung des Drehzahldetektors 38 unter einem vorherbestimmten Wert, d. h., dreht sich der Rotor 5b langsamer als es dem voreingestellten Wert entspricht, so werden die Ausgangssignale vom Detektor 34 direkt dem UND-Glied 26 zugeführt. Steigt die Drehzahl des Rotors 5b über einen vorherbestimmten Wert, so wird das Ausgangssignal vom Detektor 2a durch den Schalter 35 dem UND-Glied 26 zugeführt. Das Ausgangssignal vom Detektor 34 wird ferner einer Steuerschaltung 39 (einer Art Starteinrichtung) zur intermittierenden Spannungszufuhr zum Kommutator zugeführt. Die zum UND-Glied 26 geleiteten Ausgangssignale der Detektoren 34 oder 2a werden durch geeignete Gruppierung in sechs Signale umgewandelt. Diese sechs Signale werden den Steueranschlüssen der gesteuerten Siliziumgleichrichter des Kommutators über eine Steuereinrichtung 4a zugeführt.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

21 Ol 937 Patentansprüche:

1. Kollektorloser Gleichstrommotor mit einem Rotor und mit mehreren Ständerwicklungen, die in einer bestimmten Reihenfolge nacheinander durch eine aus steuerbaren Haibleiterschaltelementen aufgebaute Kommutierungseinrichtung an eine Gleichstromquelle schaltbar sind, mit einer Steuereinrichtung, die Steuersignale für die Aussteuerung der Steuereleketroden der Halbleiterschaltelemente in Abhängigkeit jeweils von einem nur den Anlauf ermöglichenden ersten Drehstellungsdetektor und von einem während des Laufes des Motors wirksamen zweiten Drehstellungsdetektor erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß als zweiter Drehstellungsdetektor Luminiszenzhalbleiterdioden (D i bis D 6; D11 bis D16) mit jeweils zugeordneten lichtempfindlichen Halbleiterbauelementen als Lichtempfänger (3) und zur Erzeugung von elektrischen Signalen verwendet sind, wobei die Lumineszenzhalbleiterdioden derart an die Ständerwicklungen geschaltet sind, daß sie durch die während des Betriebes jeweils in den Ständerwicklungen (U, V, W) induzierten Gegen-EMK's erregbar sind, und wobei die von den lichtempfindlichen Halbleiterbauelementen erzeugten Signale der Steuereinrichtung (4) zugeführt sind.

2. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer dreiphasigen, in Stern geschalteten Ständerwicklung (U, V, W) der zweite Drehstellungsdetektor eine dreiphasige, aus sechs Lumineszenzhalbleiterdioden (Dl bis D 6) bestehende Brückenschaltung enthält, die mit den freien Enden der Ständerwicklung verbunden ist.

3. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer dreiphasigen, in Stern geschalteten Ständerwicklung (U, V, W) der zweite Drehstellungsdetektor drei Lumineszenzhalbleiterdiodenschaltungen (13a, \3b, 13c) aus antiparallelgeschalteten Lumineszenzhalbleiterdioden (DU bis D16) enthält, die jeweils an die freien Enden der Ständerwicklungen angeschlossen sind.