-
Elektrischer Antrieb zum Inbewegunghalten eines Teils Die Erfindung
betrifft einen elektrischen Antrieb zu Inbewegunghalten eines drehbaren Teils hohen
Trägheitsmoments, insbesondere eines Schwungrades, bestehend aus einem rJerinanentmagnetischen
Rotor mit wenigstens einem Polpaar und mit zur Drehachse senkrecht verlaufender
(n) Magnetisierungsrichtung (en) und einem wenigstens eine Antriebswicklung mit
zur Drehachse senkrechter Achse aufweisenden Stator, wobei der Antrieb durch zeitweise
Einschaltun eines durch die Antriebs.
-
wicklung fließenden Stroms bewirkt wird.
-
Antriebe dieser Art sind in unterschiedlicher Ausführung bekannt,
so zum Beispiel auch ein oder mehrphasig. Derartige Antriebe benötigen zum zeitweisen
Wirksammachen eines Antriebsstroms bzw von Antriebsströmen Sensoren, die unabhängig
von der Drehzahl die Lage des Rotors zum Stator feststellen und während bestimmter
Stellungsbereiche dieser Teile gegeneinander den ßtrom£luß auslösen. Es ist zum
Beispiel
bekannt, sogenannte Synchros1 Halisonden oder auch Lichtschranken
als Sensoren zu benutzen.
-
Wird ein solcher Antrieb für einen Anwendungszweck benötigt, bei dem
eine lange Lebensdauer (von einigen Jahren) gefordert ist, sowie hohe Beschleunigungskräfte
auftreten, wie z.B. bei Einsatz in Satelliten zum Antrieb eines dort eingebauten
Stabilisierungsschwungrads, so treten bei den bekannten Sensoren Nachteile auf.
so leiden z.B Synchros mit Ferritkernen unter den Vibrations- und Schockbelastungen
beim Start; Hall-Sonden sind gegenüber Temperaturänderungen und kosmische Strahlung
empfindlich; Lichtschranken mit Photohalbleitern andererseits verlieren X Laufe
der Zeit stark an Lichtausbeutel Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht
darin, einen Antrieb zu schaffen, der die erwähnten Nachteile nicht aufweist und
somit auch bei Satelliten eingesetzt werden kann.
-
Erfindungsgemäß wird diese Ausgabe dadurch gelöst, daß auf dem Stator
wenigstens eine Ililfswicklung angebracht ist, deren Achse ebenfalls etwa senkrecht
zur Drehachse steht und die derart aufgebracht ist, daß das über und Unterschreiten
einer Schwellenspannung durch die an der Spule stehende, aufgrund der Induktion
durch den Rotormagnet sich dauernd ändernde Spannung über eine Steuerschaltung zur
Ein- und Ausschaltung des Antriebsstroms benutzbar ist.
-
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung hat den Vorteil, zeitstabil,
sowie temperatur- und strahlungsunempfindlich zu sein. Weiterhin erzeugt sie ein
energiestarkes Steuersignal, so daß Verstärkerstufen eingespart werden können. Hiedurch
wird
auch die Zuverlässigkeit wegen der reduzierten Zahl der Bauelemente erhöht und das
Gewicht erniedrigt. Weiterhin wird eine Erhöhung des Wirkungsgrads wegen der für
diese Sensoren nicht; benötigten Leistung erreicht. Alle diese Vorteile treten bei
Verwendung des Antriebs in Satelliten besonders stark in Erscheinun.
-
Nachteilig an dem erfindungsgemäßen Antrieb ist die Tasasche, daß
er das anzutreibende Teil nicht starten, also nicht aus dem Stillstand auf die Nenndrehzahl
bringen kann. Der Anlauf muß vielmehr in anderer Weise bewerkstelligt werden und
erst ab einer bestinten Drehgeschwindigkeit kann der erfindungsgemäße Antrieb seine
Funktion erfüllen. Zum Beispiel kann man zum Starten den Antrieb von Hand anwerfen,
kurszeitig ein Antriebsmoment von außen auf die Welle geben, oder auch eine gesonderte
Anwurfvorrichtung vorsehen. Wie später gezeigt wird kann man auch eine an sich bekannte
Kommutierung vorsehen, dif lediglich in der Anlaufphase oder einem Teil davon wirksam
ist und diese nach dem Anlaufen abschalten. In einem speziellen, unten näher gezeigtem
Beispiel ist der Aufwand für die Anwurfschaltung sehr gering.
-
Wie aus den obigen Ausführungen hervorgeht. genügt es für den elektrischen
Antrieb eine Antriebswicklung und eine Hilfwicklung sowie ein Polpaar morzusehen.
Bei gleichbleibender Wicklungszahl kann man jedoch auch die Polpaarzahi erhöhen
(wobei immer benachbart liegende Pole entgegengesetzt gepolt sind).
-
Während einer Umdrehung des Rotors kommt es dann zu einem entsprechend
häufigeren Stromfluß in der Betriebswicklung. Es ist Jedoch sinnvoll, mit der Zahl
der Polpaare auch die Wicklung in entsprechend viele Teile zu unterteilen und diese
gleichmäßig
auf dem Stator unterzubringen. Diese Wicklungs teile werden gleichzeitig von Strom
durch£lossen; sie sind vorzugsweise hintereinandergeschaltet. Zur Ein* und Ausschaltung
genügt auch hier eine Hilfswicklung. Die Erfindung kann jedoch auch eingesetzt werden,
wenn der Antrieb mehrphasig insbesondere dreiphasig ausgeführt ist, , wobei der
Antriebswicklung oder Antriebswicklungsgruppe jeder Phase eine Hilfswicklung sowie
eine Steuerschaltung zugeordnet ist, die derart aufzubringen sind, daß durch das
Über- und Unterschrei ten einer Schwellenspannung durch die Spannung der Hilfswicklung
rechtzeitig ein Schaltvorgang für den Antriebsstrom ausgelost wird.
-
Vorzungsweise wird die An- und Abschaltung der bzw. jeder Betriebswicklung
durch einen in Reihe zu dieser liegenden Transistorschalter erzielt. Dieser Transistorschalter
ist mit Eeiner Basis an einen Spannungsteiler angeschlossen, der zum Teil aus der
Emitter-Kollektorstrecke eines zweiten Trarsistors besteht. Entsprechend dem anzustellenden
Spannungsvergleich wird der Widerstand des zweiten Transistors derart verändert,
daß eine sprunghafte Änderung der Leitfähigkeit des Transistorschalters zustandekommt.
-
Bei einer bevorugten Ausführungsform der Erfindung liegt der Emitter
des zweiten Transistors am einen Pol der Betriebsspannungsquelle und an diesem Pol
der Betriebsspannungs quelle liegt auch die eine Klemme der Hilfswicklung, deren
andere Klemme über einen Widerstand mit der Basis des zweiten Transistors verbunden
ist.
-
Wird in der Anlaufphase des Antriebs in an sich bekannter Weise der
Antriebsstrom durch einen Photohalbleiter gesteuert wobei der zu diesem Photohaibleiter
gelangende Lichtstrahl
durch eine mit der Antriebswelle verbundene
Blende verändert wird, so kann die Ausgangsspannung dieser Photohaibleiter gemäß
weiterer Erfindung ebenfalls zur Steuerung des zweiten Transistors benutzt werden.
Damit ergibt sich eine besonders einfache Schaltung.
-
Anhand der Zeichnung soll die Erfindung in den folgenden Absätzen
näher erläutert werden.
-
Es zeigen: Fig. 1 ein prinzipiell dargestellten Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit clner Betriebswicklung und einer Hilfswicklung Fig. 2 die Spannungsverläufe
in diesen beiden Spulen Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel für die Ansteuerschaltung
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit dreiphasig ausgelegter Betriebswicklung
Fig. 5 eins Ansteuerschaltung die susätzlich noch eine Anlaufsteuerung enthält.
-
Bei dem prinzipiell dargestellten Ausführungsbeispiel der Fig. 1 weist
der Rotor einen quer zur Drehachse 4 magnetirn sierten magneten mit einem Südpol
3 und einem Nordpol 2 auf Der Stator 5 trägt eine Betriebswicklung 6 und konzentrisch
dazu liegend oder diametral gegenüberliegend, wie im Aus führungsbeispiel $Emitter-
$Kollektorstrecke Die Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Steuerschaltung
für die beiden auch hier mit 6 und 7 bezeichneten Wicklungen. Die Betriebswicklung
6 liegt in Reihe mit der Emitter-Kollektorstrecke eines Schalttransistors 8; an
dieser Reihenschaltung liegt die Betriebspannung U. Bei Drehung des
Rotors
1 ergibt sich an der unteren Klemme der Betriebswicklung der in Fig. 2a dargestellte
Spannungsverlauf.
-
Der Basisspannungsteiler des Schalttransistors 8 wird durch die Widerstände
9 und 1O sowie die Emitter-Kollektorstrecke eines zweiten Transistors 11 gebildet.
Bei der gegebenen Einschaltung des Transistors 11 liegt an seiner basis gegen Masse
normalerweise ein Spannungswert, der sich aus der Differenz der Betriebsspannung
U= und der Basis-Emitterrestspannung UBE ergibt (U=-UBE z.B. U=-0,6 V). Zwischen
der Basis des Transistors 11 und der einen Klemme der Betriebs spannungsquelle liegt
die Reihenschaltung aus der Hilfswicklung 7 und dem Widerstand 12.
-
Die Hilfswicklung 11 ist gemäß einem weiteren Erfindungsmerkmal gegenüber
der Betriebswicklung derart klein ausgebilde daß sich bei Drehung des Rotors an
ihrer Klemme 13 gegen Masse der Spannungsverlauf entsprechend Fig. 2b aufgrund der
Induktion ergibt, Sobald die Spannung an der Klemme 13 der Spule den Spannungswerl;
U= UBE unterschreitet, erniedrigst sich der Widerstand der Emitter-Kollektorstrecke
de£ Eransistora 11. Damit wird das Potential an der Basis des Transistors 8 angehoben,
wodurch der Transistor 8 durchschaltet und damit einen Betriebsstrom durch die Betriebswicklung
bewirkt. Nach der Zeit t überschreitet dann die Spannung am Punkt 13 wieder den
Spannungswert (U= - UBE). Damit wird der Transistor 11 wieder gesperrt und damit;
auch der Transistor 8 Die ausbildung der Hilfswicklung . derart, daß sie den Spannungsverlauf
entsprechend Fig. 2b mit den flachen Bereichen der Spannungsspitzen erzeugt, hat,
wie aus Fig. 2 ersichtlich, den Vorteil, daß die Betriebswicklung 6 in einem Zeitraum
konstanter (und nicht sich ändernder) Spannur eingeschaltet ist, so daß auch der
Betriebsstrom konstant ist.
-
Wie sich aus der Fig. 2a und b ergibt, ißt die Spule 6 stromdurchflossen,
wenn der Rotor den Winkelbereich von etwa 45° bis etwa 1350 gegenüber der in Fig.
1 dargestellten Stellung durchläuft. Hierfür ist ein solcher Wicklungssinn der Spule
Vorraussetzung, daß sich bei Stromfluß auf der den Rotor zugewandten Seite der Spule
ein Südpol ergibt.
-
Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 3 wird unterstellt, daß
bei Unterschreiten eines Spannungswert der Stromfluß beginnt und bei Überschreiten
endet. Es sind auch Ausführungs formen möglich, bei denen der Stromfluß bei Überschreiten
eine Werts beginnt und bei Unterschreiten endet.
-
In der Fig. 4 der Zeichnung ist in prinzipieller Darstellung ein Ausführungsbeipiel
eines Antriebs dargestellt, der drei phasig g ausgelegt ist, bei dem siede Wicklung
aus vier hintereinandergeschalteten gleichmäßig auf den Stator verteilten WickLungsteilen
besteht und bei dem der Rotor. entsprechend vier Polpaare aufweist, von denen benachbart
liegende entgegengesetzt gepolt sind.
-
Der Rotor besteht aus dem Kern 14 und den radial magnetisierten Magneten
15. Auf dem Stator 16 sind drei Wicklungsgruppen 17a bis 17d, 18a bis 18d und 19a
bis 19d gleichmäßig verteilt angeordnet, Die vier Teilwicklungen einer Wicklungsgruppe
sind hintereinandergeschaltet1 was in der Fig. 4 der Einfachheit halber nur für
die Wicklungsgruppe 17 dargestellt ist. Jeder Wicklungsgruppe ist eine Hilfswicklung
20, 21 bzw.
-
22 zugeordnet, und zwar liegen diese Hilfswicklungen Jeweils konzentrisch
zu einer Wicklung der entsprechenden Wicklungsgruppe. Jede Wicklungsgruppe ist vier
Mal pro Umdrehung des Rotors stromdurchflossen. Die Zeiträume, in denen die verschiedenen
Wicklungsgruppen von Strom durchflossen sind,
schließen aneinander
an. Die Steuerung erfolgt über die Steuerschaltungen 23 bis 25, von denen Je eine
mit einer Wicklungsgruppe und der zugehörigen Hilfswicklung verbunden ist (in Fig.
4 Ist der Einfachheit halber nur die Wicklungsgruppe 17a bis 17d und die Hilfswicklung
20 mit der Steuerschaltung 23 verbunden).
-
Die Steuerschaltung der Fig. 5 entspricht rechts der f;estrichelten
Linie der Schaltung der Fig. 3. Die Reihenschaltung der Wicklung 6 mit dem Transistor
8 kann übrigens hier wie dort an eine zweite Betriebsspannungsquelle im Beispiel
höherer Spannung) angeschlossen sein. Zusätzlich ist in Fig. 5 noch eine Startschaltung
mit eingezeichnet, die im wesentlichen aus einer Photodiode 26, einen Phototransistor
27, dem Widerstand 28 und einem Schalter 29 besteht.
-
Wird bei ruhendem Rotor zum Start des Antriebs der Schalter 23 geschlossen,
so gelangt Licht zum Transistor 2?, das diesen durchlossen, macht. Damit wird die
Spannung an der Basis die Transistors 11 abgesenkt, und dieser wird ebenfalls durch
lässig damit auch der Transistor 8. Der dadurch zustandekommende Stromfluß durch
die Wicklung 6 beschleunigt den Rotors Nach einem bestinn!1ten Drehwinkel unterbricht
eine mit dem Rotor verbundene Blende den zum Phototransistor 27 gelangenden Lichtstrahl,
dieser wird gesperrt und damit auch der Strom in der Betriebswicklung 6. Nach einem
be stimmten, vom Rotor durchlaufenden Verdrehungswinkel gelangt wieder Licht um
Phototransistor 27 und der Vorgang wiederholt sich. Dles geschieht so langes bis
der Rotor auf eine bestimmte Drehzahl beschleunigt istt bei der er eine zur weiteren
Steuerung ausreichende Spannung in der Spule 7 induziert.
Numehr
kann der Schalter 29 wieder geöffnet werden, was automatisch geschehen kann. Da
die Steuerschaltung aus den Teilen 26 bis 28 nur zum Anlaufen benutzt wird, können
Sich die eingangs genannten Nachteile dieser Schaltung nicht nachteilig bemerkbar
machen.
-
-Patentansprüche