DE2135942A1

DE2135942A1 - Burstenloser Elektromotor

Info

Publication number: DE2135942A1
Application number: DE19712135942
Authority: DE
Inventors: Masateru Yokohama Kanagawa Kuniyoshi (Japan)
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1970-07-20
Filing date: 1971-07-19
Publication date: 1972-02-03
Also published as: JPS5122605B1; GB1358404A; US3749991A

Description

TOKYO SHIBAURA ELECTRIC COMPANY LIHITED, 72 Horikawa-cho, Kawasaki-shi, Kanagawa—ken (Japan)

Bürstenloser Elektromotor

Die Erfindung bezieht sich auf bürstenlose (Schleifring) Elektromotoren.

Es sind bereits bürstenlose Elektromotoren bekannt, deren Betriebsverhalten ähnlich dem von Gleichstrom—Motoren ist und die den Vorteil besitzen, daß sie keinen mechanischem Kommutator benötigen. Die Vorteile solcher Motoren liegen in ihrer einfachen Wartung, in der Möglichkeit eines Betriebes mit extrem hohen Drehzahlen, weil keine Rücksicht auf einen mechanischen Kommutator genommen werden muß, und in ihrer einfachen Drehzahlsteuerung.

Ferner ist es bekannt, daß man bürstenlose Motoren mit einem Winkellage-Detektor oder —Fühler und mit einem statischen Kommutator ausrüsten muß. Der statische Kommutator enthält eine Anzahl von steuerbaren Halbleitern, wie Thyristoren und führt der Ankerwicklung des bürstenlosen Elektromotors einen Wechselstrom zu.

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Der Winkellage-Detektor tastet die relative Winkellage zwischen der Ankerwicklung und der mit Gleichstrom erregten Rotor—Feldwicklung ab und übermittelt Ausgangs— signale an die Steuerelektroden der Thyristoren im statischen Kommutator und schaltet dadurch die Thyristoren in einer vorbestimmten Schaltfolge durch, während sich der Rotor des bürstenlosen Motors dreht.

Ferner ist die enge Abhängigkeit zwischen der Einschalt— zeit der Thyristoren des statischen Kommutators und der " drehzahlabhängigen ENK oder Gf-gen—EMK bekannt, welche in die Ankerwicklung durch die magnetomotorische Kraft (MMK) des mit Gleichstrom erregten Rotors während dessen rotierender Bewegung induziert wird. Diese Abhängigkeit wird üblicherweise als Bürstenvorschubwinkel Y-bezeichnet. Der Wert des Bürstenvorschubwinkels V- ist äußerst wichtig für die Bestimmung der Motordrehzahl und des Motor—Drehmomentes. Hierbei ist zu beachten, daß die Motordrehzahl mit großer werdendem Bürstenvor— schubwinkel Jf ansteigt, während gleichzeitig das Mo— tordrehmoment abnimmt.

Außerdem ist der Wert des Bürstenvorschubwinkels y äußerst wichtig für die Thyristor—Ansteuerung innerhalb des statischen Kommutators. Es ist bekannt, daß es zwei Methoden zur Ansteuerung bzw. zum anschalten der Thyristoren gibt: Die eine Methode nennt man die erzwungene Umschaltung, und die andere nennt man die natürliche Umschaltung. Für die erzwungene Umschalt— nethode benötigt man Kondensatoren zum Anlegen von Utaschalt—Strdaen an die Thyristoren des statischen KoMBUtators und ferner andere Schaltmittel zum periodischen Anschalten der Kondensatoren an die Thyristoren, so daß man in letzter Zelt zur natürlichen Ueachalt-■ethode tibergegangen ist.

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Die natürliche Umschaltung erzeugt mit Hilfe der drehzahlabhängigen EMK oder Gegen-EMK, welche durch die MMK des mit Gleichstrom erregten Rotors in die Ankerwicklung induziert wird. Je größer der Bürstenvorschubwinkel oier Umschalt-Vorschubwinkel V ist, desto bessere Umschaltergebnisse werden erzielt. Das bedeutet, daß bei negativen Werten für den Umschalt-Vorschubwinkel V die Umschaltung fehlerhaft arbeitet und somit die Thyristoren-Umschaltung versagt.

Es ist daher notwendig, den Umschalt-Vorschubwinkel V auf einen vorbestimmten Wert zu fixieren. Andererseits ist es auch bekannt, daß beim Lauf des Motors eine Anker-Rückwirkung auftritt. Diese Anker-Rückwirkung wird größer mit zunehmender Belastung des Motors, so daß die drehzahlabhängige in die Ankerwicklung induzierte EMK verzerrt wird, in der Phase voreilt und damit den Umschalt-Vorschubwinkel £ reduziert. Wenn aber der Umschalt-VorschubwinkelJf reduziert wird, kommt es zu einer unbefriedigenden Umschaltung der Thyristoren. Aus diesem Grunde war es bisher nicht möglich, bürstenlose Elektromotoren bei hoher Belastung zufriedenstellend arbeiten zu lassen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen neuen und verbesserten bürstenlosen Elektromotor zu schaffen, bei dem die Umschaltung des statischen Kommutators auch in Anwesenheit einer Anker-Rückwirkung störungsfrei abläuft.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Rotor zusätzlich eine Kompensationswicklung enthält, die so ausgelegt ist, daß sie einen dem Anker-, strom proportionalen Erreger*-Gleichstrom aufnimmt und somit eine magnetomotorische Kraft (MMK) erzeugt, welche die aus der Ankerrückwirkung resultierende MMK kom-

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pensiert; und daß ein Winkellage-Detektor zur Bestimmung der Winkelablage zwischen Ankerwicklung und Feldwicklung, und eine durch den Winkellage-Detektor steuerbare Schalteinrichtung zum Durchschalten der steuerbaren Halbleiter unter Einhaltung eines vorbestimmten Umschalt-Vorschubwinkels v» vorhanden ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von zwei bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung und in Verbindung mit einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen bürstenlosen Elektromotors in schematischer Darstellung;

Fig* 2 eine schematische Darstellung mit einer Ankerwicklung, einer Feldwicklung und einer Kompensationswicklung eines derartigen Motors in ihren unterschiedlichen gegenseitigen Stellungen;

Fig. 3 ein Vektoren-Diagramm zur Erläuterung der Erfindung; und

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Anker wicklung, einer Feldwicklung und einer Kompensationswicklung in ihren gegenseitigen Stellungen für ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In Fig. 1 der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßer bürstenloser Drehfeld-Elektromotor 4 dargestellt. Auf einem Statorkern des Elektromotors 4 ist eine Ankerwicklung 5 in Sternschaltung aufgewickelt. Auf einem Rotor 6 ist eine Haupt-Feldwicklung 7 aufgewickelt, welche von einer Gleichstromquelle 10 über Schleifringe 8a und 8b und über Bürsten 9a und 9b mit Gleichstrom versorgt wird. Ferner ist auf den Rotor 6 eine Kompensationswicklung 11 aufgewickelt, deren Enden mit je einem Schleifring 12a und 12b verbunden sind, auf denen Bürsten 13a und 13b laufen.

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Ferner ist eine veränderliche Gleichstromquelle 1, die eine Umschalteinrichtung oder eine Leonard-Schaltung enthält, vorhanden. Eine Glättungsdrossel 2, die Kompensationswicklung 11 und ein statischer Kommutator 3 liegen in Serienschaltung an der Gleichstromquelle 10. Zum statischen Kommutator 3 gehören sechs Thyristoren S. -S,-, die in einer dreiphasigen Brückenschaltung miteinander verknüpft sind. Ihre Wechselstrom-Anzapfungen X, Y und Z sind mit je einer Phasenwicklung U, V und W der Ankerwicklung 5 verbunden.

Ferner ist ein herkömmlicher Winkellage-Detektor 14 vorhanden, welcher den Winkelunterschied zwischen Ankerwicklung 5 und Feldwicklung 7 abtastet. Der Winkellage-Detektor 14 gibt dieser Winkelabweichung entsprechende elektrische Signale an eine Steuerschaltung 15 ab. Auf diese Weise wird erreicht, daß die Steuerschaltung 15 die Thyristoren S. - S , in Abhängigkeit von einem vorbestimmten Umschalt-Vorschubwinke 1 v¹ umschaltet.

In Fig. 2 ist in schematischer Weise die gegenseitige Anordnung der Ankerwicklung 5, der Feldwicklung 7 und der Kompensationswicklung 11 dargestellt. Gemäß Fig. 2 ist die Feldwicklung 7 so gewickelt, daß zwei Pole entstehen, und die Kompensations-Wicklung 11 ist so gewickelt, daß sie eine MMK erzeugt, welche gegenüber einer zum Feld um 90 verschobenen Achse um den genannten vorbestimmten Umschalt-Vorschubwinkel v> abweicht.

Beim betriebsbereiten bürstenlosen Elektromotor wird der Winkellage-Detektor 14 so justiert, daß er die Winkelabweichung zwischen der Ankerwicklung 5 und dem Rotor 6 abtasten kann und ein Signal überträgt, 'wenn die Ankerwicklung 5 gegenüber der um 90° verschobenen Achse des durch Gleichstrom erregten Rotors 6 um einen elek-

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irischen Winkel ξ abweicht« welshes¹ gleich dam Umschalt- ¥orschubwinkel ist. Dann wird die Veränderliche Gleichstromquelle 1 und die Gleichstromquelle 10 eingeschaltet, und die Steuerschaltung 15 ist betriebsbereit. Der Winke1 lage-Detektor 14 tastet die relative Winkelabweichung ab und überträgt ein entsprechendes Signal auf die Steuerschaltung 15, welche an die einzelnen Thyristoren S₁ - S_g Steuersignale abgibt und diese nacheinander durchschaltet Daraufhin fließt durch zwei Phasenwicklungen der Ankerwicklung 5 ein Strom und erzeugt eine MMK.

Ferner erzeugt der durch die Feldwicklung 7 fließende Strom eine MMK, und der Rotor 6 beginnt unter dem Einfluß eines Drehmomentes zu rotieren, welches unter gegenseitiger Beeinflussung dieser beiden MMKe entsteht. Der Winkellage-Detektor 14 tastet laufend die relative Winkelabweichung ab, so daß die Thyristoren S. - S_ß immer in der richtigen vorbestimmten Folge und im richtigen Zeitpunkt durchgeschaltet werden, während der erfindungsgemäße Motor läuft.

Steigt unter den beschriebenen Betriebsbedingungen die Belastung des Motors, so steigt gleichfalls sein Ankerstrom an, der Umschalt-Vorschubwinkel $ wird jedoch nicht reduziert, sondern annähernd auf einem vorbestimmten Wert γ gehalten, und zwar unter dem Einfluß der Kompensationswicklung 11.

Das Prinzip der Arbeitsweise des zuvor beschriebenen bürstenlosen Elektromotors soll nachfolgend anhand eines Vektoren-Diagrammes erläutert werden.

Das in Fig. 3 dargestellte Vektoren-Diagramm bezieht sich auf eine Phase der Ankerwicklung 5 des bürstenlosen Elektromotors 4. Als Referenz für das Diagramm

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dient eine Spannung V, die an die Ankerwicklung gelegt ist. Zur Vereinfachung der Darstellung sei angenommen, daß der Ankerstrom I mit der Spannung V in Phase liegt. Die drehzahlabhängige EMK E , welche in den Anker induziert wird, ist definiert durch den vorbestimmten Umschalt- Vorschubwinkel Τ¹" . weicht also gegenüber der _> —*■

Spannung V um den Winkel Ύ" ab. dT ist der durch den

^r ³ "o -¹O

Feldstrom erzeugte magnetische Fluß, welcher eine in-

—^

duzierte Spannung E induziert, und dieser weicht gegenüber E um 90 ab.

Andererseits wird eine Anker-Rückwirkung in Abhängigkeit vom Ankerstrom I erzeugt. Somit ist die Anker-Rückwir-

kungs-MMK F in Phase mit dem Ankerstrom I. Dann wird

-v^a -* -*■

der Vektor F in zwei Vektoren F . und F aufgeteilt.

-*^{a d} 9 -»

Der Vektor F liegt in Phase mit dem Vektor E , und

die Phase des Vektors F , ist der des Vektors W ent-

gegengesetzt. Die magnetischen Teilflüsse $, und jp werden jeweils durch die beiden Anker-Rückwirkungs-MMK "p*. und F erzeugt. Der magnetische Fluß $. reduziert

d g * _♦ * *d

den magnetischen Fluß β des Feldes, und der magnetische

Fluß $ verzerrt ihn. Somit wird der wirkliche Magnetig
fluß jp, welcher in den Anker Spannung induziert, aus der gesamten Vektorsumme der magnetischen Flüsse $ , i, und § gebildet. Somit ist die wirklich induzierte und an beiden Enden der Ankerwicklung 5 meßbare Spannung als Vektor E dargestellt, welche dem Vektor jjT um 90° voreilt.

Die für die Umschaltung der Thyristoren benutzte Umschaltspannung ist als Vektor E dargestellt. Daraus geht hervor, daß bei steigender Motorbelastung und

daraus resultierendem steigendem Strom I der Vektor E abnimmt, und daß schließlich der wirkliche Umschalt-Vorschubwinkel Ύ-negativ wird.

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Wie bereits erwähnt, ist die Kompensationswicklung 11 so gewickelt, daß sie eine MMK erzeugt, welche gegenüber der um 90 verschobenen Achse um den vorbestimmten Umschalt-Vorschubwinkel J* abweicht. Diese MMK ist in

Fig» 3 als Vektor F dargestellt. Somit wird die von der Anker-Rückwirkung abhängige MMK F durch die MMK F durch Einwirkung der Kompensationswicklung ausgelöscht. Da außerdem ein dem Ankerstrom I proportionaler Erregerstrom durch die Kompensations-Wicklung 11 fließt, sind die absoluten Werte der Vektoren F und F immer

a ao

gleich, auch wenn der Belastungsstrom ansteigt. Mit anderen Worten: Die Anker-Rückwirkung wird vollkommen auskompensiert durch die MMK, welche von dem durch die Kompensations-Wicklung 11 fließenden Strom erzeugt wird, und der wirkliche Umschalt-Vorschubwinkel J- wird immer in der Nähe von "Jf- fixiert, ganz gleich, in welchen Grenzen sich der Ankerstrom ändert. Damit wird erfindungsgemäß eine glatte störungsfreie Umschaltung des statischen Kommutators 3 erzielt, und der erfindungsgemäße bürstenlose Elektromotor 4 kann auch unter sehr hoher Belastung betrieben werden.

In Fig. 4 ist die gegenseitige Stellung der Ankerwicklung, der Feldwicklung und der Kompensationswicklung für ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen bürstenlosen Elektromotors dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Kompensationswicklung 11 in zwei Teilwicklungen lla und lib aufgeteilt. Die Teilwicklung lla ist so gewickelt, daß sie eine MMK erzeugt, die rechtwinklig zur Hauptachse verläuft, während die andere Teilwicklung 11b der Kompensations-Wicklung 11 so gewickelt ist, daß sie eine MMK erzeugt, welche im rechten Winkel zur gegenüber der Hauptachse um 90° verschobenen Achse verläuft. Der durch die Teilwicklung lla fließende Strom erzeugt eine MMK F gemäß Fig. $, und der durch die Kompensations-Teilwick-

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lung lib fließende Strom eine MMK F^₀.

Die Gesamtsumme der Vektoren F und F. wird F , wodurch der oben beschriebene Effekt erzielt wird. Es sei noch bemerkt, daß die durch die beiden Kompensations-Teilwicklungen 11a und 11b fließenden Ströme gleich und proportional dem Ankerstrom sind·'

Ferner läßt sich leicht beweisen, daß die von der Kompensations-Teilwicklung 11b erzeugte MMK E. etwas größer ist als die in der Hauptachse verlaufende MMK F., um die magnetischen Verluste im Luftspalt zu kompensieren.

Aus der durch die Erfindung gegebene Lehre läßt sich entnehmen, daß die auf der Anker-Rückwirkung beruhende MMK kompensiert werden kann, indem man eine Kompensations-Wicklung vorsieht, um einen erfindungsgemäßen bürstenlosen Elektromotor ohne Umschaltstörung innerhalb seines statischen Kommutators auch unter Überlastbedingungen betreiben zu können. Erfindungsgemäß wird es möglich, den Umschalt-Vorschubwinkel y· des statischen Kommutators auf einen vorbestimmten Wert festzulegen, auch wenn sich der Belastungsstrom verändert.

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Claims

Ansprüche

( l.yBürstenloser (Schleifring) Elektromotor mit einer mehrphasigen Ankerwicklung, die aus einem mit steuerbaren Halbleiterschaltern bestückten statischen Kommutator mit Wechselstrom erregt wird, und mit einem Rotor, der mit einer Gleichstrom erregbaren Feldwicklung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (6) zusätzlich eine Kompensations-Wicklung (11) enthält, die so ausgelegt ist, daß sie einen dem Ankerstrom proportionalen Erreger-Gleichstrom aufnimmt und somit eine magnetomotorische Kraft (MMK) erzeugt, welche die aus der Anker-Rückwirkung resultierende MMK kompensiert; und daß ein Winkellage-Detektor (14) zur Bestimmung der Winkelablage zwischen Ankerwicklung (5) und Feldwicklung (7), und eine durch den Winkellage-Detektor steuerbare Schalteinrichtung (15) zum Durchschalten der steuerbaren Halbleiter (S„ ... S^.) unter

ι b

Einhaltung eines vorbestimmten Umschalt-Vorschubwinkels vorhanden ist.
2. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensations-Wicklung (11) so auf dem Rotor

(6) angebracht ist, daß die von ihr erzeugte MMK gegenüber einer zur Hauptachse um 90° versetzten Achse um den vorbestimmten Umschalt-Vorschubwinke1 (f) versetzt ist.
3. Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensations-Wicklung aus zwei Teilwicklungen (lla, lib) zusammengesetzt isb, von denen die eine eine im rechten Winkel zur Hauptachse, und die andere eine im rechten Winkel zur um 90 von der Hauptachse abweichenden Achse gerichtete MMK erzeugt,

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wobei die vektorielle Summe der in den Teilwicklungen erzeugten MMKe von der gegenüber der Hauptachse um 90° verschobenen Achse um den vorbestimmten Umschalt-Vorschubwinkel ( T ) versetzt ist.
4. Elektromotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Folge der Anker-Rückwirkung die rechtwinklig zur um 90 gegenüber der Hauptachse verschobenen Achse erzeugte MMK größer ist als die MMK, welche in der Richtung der Hauptachse verläuft.

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