DE2152075A1 - Elektromotor mit elektronischer Kommutierung - Google Patents

Elektromotor mit elektronischer Kommutierung

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DE2152075A1 DE19712152075 DE2152075A DE2152075A1 DE 2152075 A1 DE2152075 A1 DE 2152075A1 DE 19712152075 DE19712152075 DE 19712152075 DE 2152075 A DE2152075 A DE 2152075A DE 2152075 A1 DE2152075 A1 DE 2152075A1
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    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/06—Arrangements for speed regulation of a single motor wherein the motor speed is measured and compared with a given physical value so as to adjust the motor speed
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K29/00—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices
    • H02K29/14—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with speed sensing devices

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
  • Control Of Eletrric Generators (AREA)

Description

Dr. F. Zumstein sen. - Dr. E. Assmänn ■
Dr. R. Koenigsoarijer - Dipl. Pnya. Λ. Hoizbauer
Dr. F. Zumsiein jun.
Patentanwälte
8 München 2, Bräuhauistroße 4/III
3632-71
SOCIBTB D'APPLICATIONS GEHESALES D·EIECTRlCITB ET DB MECANIQUE
SAGBM
Elektromotor mit elektronischer Kommutierung.
Die Erfindung "betrifft die Elektromotoren mit elektronischer Kommutierung, d.h. mit Gleichstrom gespeiste Motoren, deren Kommutierung durch elektronische Mittel (Transistoren, Thyristoren) anstatt durch mechanische Mittel (Bürsten und Kollektor) erfolgt. · i
Es sei "bemerkt, dass mit dem Ausdruck Elektro- | motor mit elektronischer Kommutierung nachstehend die durch den [eigentlichen Elektromotor: und die die elektronische Kommutierung
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"bewirkenden Vorrichtungen gebildete Anordnung "bezeichnet ist.
Bei derartigen Motoren treten Probleme bei der Regelung oder Steuerung der Drehzahl und beim Anlassen auf.
Die Erfindung hat einen Elektromotor mit elektronischer Kommutierung zum Gegenstand, dessen Drehzahl durch einfache elektronische Mittel geregelt oder gesteuert werden kann.
Die Erfindung hat ferner einen Elektromotor mit
elektronischer Kommutierung zum Gegenstand, dessen Anlassen durch eine Verzögerungsvorrichtung erfolgt, welche das Anlassen des Motors ohne äussere mechanische Hilfe ermöglicht.
. Die Erfindung hat ferner einen Elektromotor mit elektronischer Kommutierung zum Gegenstand, welcher dank einer besonderen Anordnung seiner Wicklungen einen hohen Wirkungsgrad hat.
Die Erfindung betrifft im besonderen, wenn auch nicht aussebliesslicli, von derartigen Elektromotoren mit. elektronischer Kommutierung solche, welche Schwungrädern, z.B. Kreiseln von Gyroskopen, eine hohe Drehzahl erteilen sollen.
Der erfindungsgemässe Elektromotor mit elektronischer Kommutierung ist dadurch gekennzeichnet, dass er η Paare von Wicklungen aufweist, welche so auf seinen Stator gewiekelt sind, dass· die Wicklungen ein und desselben Paares gegeneinander um 90 elektrische Grade versetzt sind, wobei in jedem Wicklungspaar eine Wicklung (Motorwicklung) durch*einen Leistungsverstärker mit wenigstens einer regelbaren (positiven oder negativen) Schwelle gespeist wird, welcher die elektronische Kommutierung einer (positven oder negativen) Speisespannung bewirkt, während die andere Wicklung (Detektorwicklung) ein Detektorsignal liefert, welches eine Funktion der Drehzahl des Motors ist und einem um 90° verschiebenden Phasenschieber zugeführt wird, dessen Ausgangssignal den Leistungsverstärker steuert, wobei die regelbare Schwelle des Iieistungsverstankers durch einen eine (positive oder negative) Regelspannung liefernden Spannungserzeuger festgelegt wird.
: Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme
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auf die Zeichnung beispielshalber erläutert«
Fig.l ist ein Schaltbild eines gemäss einer ersten Ausführungsform der Erfindung ausgebildeten Motors.
Fig.2a und 2b sind Sehaubilder, welche das Arbeiten des in Fig.l dargestellten Motors zeigen.
Fig.3 ist ein Schaltbild eines gemäss einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ausgebildeten Motors.
Fig.4 ist ein Schaltbild eines gemäss einer dritten Ausführungsform der Erfindung ausgebildeten Motors.
Fig.5a, 5b, 5c sind Sehaubilder, welche den Anlassvorgang eines erfindungsgemässen Motors zeigen.
!ig.6 ist ein die Vorteile eines erfindungsgemässen Motors darstellendes Schaubild.
!ig.7 ist ein A.xialschnitt eines erfindungsge- ' massen Motors.
!ig.8 ist eine Ansicht auf ein Ende des Stators :- des Motors. ■ -
Wie in Fig.l, 3, 4, 7 und 8 dargestellt, besitzt der erfindungsgemässe Elektromotor, einen Stator 1, welcher
z.B., wie nachstehend angenommen, innerhalb eines Rotors 2 angeordnet ist. . '
Der Rotor 2 wird im wesentlichen durch einen .
den Stator 1 umgebenden Dauermagneten 3 und durch ein Gestell 4 gebildet, welches an einer von dem Stator 1 getragenen festen Welle 5 mit Hilfe von Lagern 6 angebracht ist.
Auf den zweckmässig aus Ferrit bestehenden Stator 1 sind zwei um 90 elektrische Grade gegeneinander verssbzte Wicklungen 7 und 8 aufgewickelt. In dem betrachteten Fall eines Motors mit einem einzigen Wicklungspaar sind dann die Wicklungen 7 und 8 auch um 90 mechanische Grade gegeneinander versetzt, wie ■ schematisch in Fig.l, 3 und 4 dargestellt.
Eine dieser beiden Wicklungen, nämlich die Motorwicklung 7, wird durch einen Leistungsverstärker 9 mit wenigstens einer regelbaren (positiven oder negativen) Schwelle gespeist, welcher die elektronische Kommutierung einer von einer Speisevorrichtung 10 kommenden (positiven oder negativen) Speise-
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spannung V. bwirkt»
Die andere Wicklung, nämlich die Detektorwick-
lung 8, liefert ein Detektorsignal F (ω)» welches eine Funktion' der Drehzahl des Motors ist und einem eine Phasenverschiebung von 90° erzeugenden Phasenschieber 11 zugeführt -wird, dessen Ausgangssignal.G den Leistungsverstärker 9 steuert·
Die regelbare Schwelle des Leistungsverstärkers 9 wird durch einen eine (positive oder negative) Regelspannung Yg liefernden Spannungserzeuger 12 festgelegt.
In Fig.l, 3 "und 4 sind vollausgezogen die elektrischen Verbindungen dargestellt, weiche dem lall entsprechen, dass der Leistungsverstärker 9 eine positive Schwelle hat, wpbei dann die Speisespannung V* die positive Spannung + V. und die Regelspannung die positive Spannung ·*■ Yg ist.
* In den gleichen Figuren sind gestrichelt die elektrischen Verbindungen dargestellt, welche dem Fall entsprechen, dass der Leistungsverstärker 9 eine negative Schwelle hat, wobei dann, die Speisespannung Y. die negative Spannung - V^ und '. die Eegelspannung die negative Spannung - Y„ ist. !
Fig.2a und 2b sind Schaubilder, welche das Arbeiten des Motors für eine positive und negative Speisespannung + V. besw. - Yj> darstellen, wobei dann der Leistungsverstärker 9 eine positive bezw.negative Schwelle hat, welche durch die positive bezw.negative Regelspannung + V« bezw. - Y„ festegelegt sind.
In das Schaubild der Fig. 2a ist eine Kurve einepzeichnet, deren Abszissen die Zeit t_ und deren Ordinaten das Ausgangssignal G- des Phasenschiebers 11 sind. Diese Kurve wird durch zwei zu der Abszissenachse parallele Gerade vervollständigt, von . denen die obere vollausgezogene Gerade der" die positive Schwelle festlegenden Regelspannung + V« entspricht, während die untere gestrichelte Gerade der die negative Schwelle festlegenden Regelspannung - Υ« entspricht. ' '■. 9 α* „■-
In das Schaubild der Fig.2b sind die Speiseimpulse Ι» eingetragen, welche im Betrieb die Motorwicklung 7 speisen, wobei die Abszissen die.Zeit t_ und die Ordinaten die Speisespannung der Speisevorrichtung 10 sind. Die vollausgezogenen Im- ; pulse entsprechen der positiven Speisespannung + V^ und die ge-
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strichelten Impulse der Speisespannung - V..
Man sieht dann, dass jede Änderung der Regelspannung + Vg eine Änderung der Breite der positiven oder negativen Impulse und somit eine Veränderung·- der Drehzahl des Motors zur Folge hat.
Der Spannungserzeuger 12 kann dann durch verschiedene weiter unten beschriebene Mitt.el geregelt oder gesteuert werden, um die Motordrehzahl zu regeln oder zu steuern.
In Fig.l ist eine einfache zu dem Spannungserzeuger 12 führende mechanische Steuerung dargestellt.
Pig,3 zeigt eine durch das Augsgangssignal JGr
des Phasenschiebers 11 bewirkte Steuerung des Spannungserzugers 12, welche erfordert, dass dieses Ausgangssignal von der Motordrehzahl ω unabhängig ist· ..·".-
Hierfür wird der Phasenschieber 11 durch einen. Integratorphasenschieber mit einer RG-Schaltung Ha, 11b und einem Verstärker lic gebildet. Ein derartiger Phasenschieber besitzt einen Verstärkungsfaktor -, welcher das Detektorsignäl F ( ω )t welches eine Funktion von ω/in*ein von ω unabhängiges A-'üsgangssignal G umformt.
Dieses Signal S wird einer Regelvorrichtung 14 zugeführt, welche "auch das..Detektorsignal F ( ω ) empfängt und ein dem Spannungserzeuger 12 zugeführtes Steuersignal Ag liefert. .
Fig.4 zeigt eine Synchronisierung des Spannungserzeugers 12, welche durch eine von einem Frequenzgenerator 15 gelieferte Steuerfrequenz F gesteuert wird.
Diese Steuerfrequenz I wird einer Synchroni* siervorrichtung 16 zugeführt, welche auch das Detektorsignal F ( ω ) empfängt und ein dem Spannungserzeuger 12 zugeführtea Synchronisiersignal Sy liefert.
Auch in diesem Fall muss das Ausgangssignal G-
des Phasenschiebers 11 von der Motbfdrehzahl to unabhängig sein, und der Phasenschieber 11 wird durch einen Integratorphaaenschieber mit einer RC-Schaltung Ha, Hb und einem Verstärker lic gebildet.
In allen Fällen wird zweckmässig, wie in Fig.l,
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3 und 4 dargestellt, für das Hochfahren des Motors ein Strombegrenzer 17 zwischen dem Leistungsverstärker 9 und der Motorwicklung 7 vorgesehen.
Der durch diesen Strombegrenzer 17 erhaltene Vorteil ist in dem Schaubild der Pig.6 gezeigt, welche durch die vollausgezogene Kurve den Verlauf des Motormoments ö (als Ordinaten) in Funktion der Motordrehzahl ω (als Abszissen) darstellt.
Der erste (waagerechte ) Abschnitt dieser Kurve entspricht der durch den Strombegrenzer 17 erzeugten Begrenzung des Moments, der zweite Abschnitt dieser Kurve entspricht dem normalen (durch, die gestrichelte^ G-erade dargestellten) Verlauf des Moments, und der dritte (etwa lotrechte) Abschnitt entspricht der Wirkung der Regelung oder Steuerung oder Synchronisierung auf den leistungsverstärker 9.
Das Anlassen eines derartigen Motors erfolgt
zweckmässig durch eine Verzögerungsvorrichtung 18 ( Fig.l, 3 und 4), welche nacheinander in die Detektorwicklung ff einen Binstellimpuls Ip, welcher den Rotor 2 in eine Stellung bringt, welche um 90 elektrische ( und im lalle eines einzigen Wicklungspaares mechanische) Gerade gegenüber der Motorwicklung 7 verschoben ist, und in die Motorwicklung 7 einen Anwurfimpuls I-j-, welcher das Anwerfen des Rotors 2 bewirkt, schickt.
Bin von dieser Verzögerungsvorrichtung 18 gesteuerter Umschalter 19 schaltet die Verzögerungsvorrichtung 18 ■ab, sobald der Rotor 2 angeworfen ist, d.h. nach der Aussendung des Anwurfimpulses I_·
In.den Schaubildern der Fig.5a, 5b und 5c sind
der Einstellimpuls Ip (Fig.5a), der Änwurfimpuls Ij. (Fig.5b) und die Speiseimpulse I. (Fig.5c) dargestellt, wobei die Zeit als Abszissen und die Amplitude dieser Impulse als Ordinaten eingetragen sind..
Der Stator 1 kann durch einen Ferritzylinder
,gebildet werden, auf welchen die Motorwicklung 7 und die Detektorwicklung θ so gewickelt sind, dass sie Ringspulen 7 und 8 bilden, deren Achsen X-X bezw. Y-Y um 90° gegeneinander versetzt sind· ι
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Der obige Mo.tor mit elektronischer Kommutierung besitzt folgende Vorteile:
- grosse Möglichkeiten hinsichtlich der Drehzahlregelung;
- Einfachheit der Anlassvorrichtung, welche das Anwerfen des Rotors in einem bestimmten Sinn bewirkt;
- Unempfindlichice it der Drehzahl gegen etwaige Induktionsschwankungen der Dauermagnete des Rotors, welche von der Umgebung des Motors, insbesondere von den Temperaturbedin- . ' gungen, herrühren können;
- Möglichkeit der Unterdrückung der magnetischen Streuung nach aussen'dank der Ausbildung der durch den Stator
und den Rotor gebildeten Anordnung. }
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Claims (10)

  1. . - - 8 - . 3632-71
    Patentansprüche
    (I)/ Elektromotor mit elektronischer Kommutierung, gekennzeichnet durch η Paare τοη Wicklungen (7, 8), welche so auf, seinen Stator (l) gewickelt sind, dass die Wicklungen ein und desselben Paares gegeneinander um 90 elektrische Gerade versetzt sind, wobei* in jedem Wicklungspaar (7» 8) eine Wicklung (Motorwicklung 7) durch einen Leistungsverstärker (9) mit wenigstens einer regelbaren (positiven oder negativen) Schwelle gespeist wird, welcher die elektronische Kommutierung einer (positiven oder negativen) Speisespannung bewirkt, während die andere Wicklung (Detektorwicklung 8) ein Detektorsignal liefert, welches
    ^ eine Punktion der Drehzahl des Motors ist und einem um 90° verschiebenden Phasenschieber (ll) zugeführt wird, dessen Ausgangssignal den Leistungsverstärker (9) steuert, wobei die regelbare Schwelle des Leistungsverstärkers durch einen eine (positive oder negative)RegeIspannung liefernden Spannungserzeuger (12) festgelegt wird.
  2. 2)- Elektromotor mit elektronischer Kommutierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungserzeuger (12) durch eine mechanische Steuerung (13) geregelt wird.
  3. 3)- Elektromotor mit elektronischer Kommutierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenschieber (ll) durch einen Integratorphasenschieber mit einer
    P RG-Schaltung (11a, lib) gebildet wird, und dass das Ausgangssignal des Phasenschiebers (11) einer Regelvorrichtung (14) zugeführt wird, welche auch das von der Detektorwicklung (8) gelieferte Detektorsignal empfängt und ein dem Spannungserze.uger (12) zugeführtes Steuersignal liefert.
  4. 4) - Elektromotor mit elektronischer Kommutierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenschieber (ll) durch einen Integratorphasenschieber mit einer RC-Schaltung (lla, lib) gebildet wird, wobei ein Frequenzgenerator (15) eine Steuerfrequenz liefert, welche einer Synchronisiervorrichtung (16) zugeführt wird, welche auch das von der Detektorwicklung (8) gelieferte Detektorsignal empfängt und ein
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    dem Spannungserzeuger (12) zugeführtes Synchronisiersignal liefert«,
  5. 5)- Elektromotor, mit elektronischer Kommutierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet, dass ein Strombegrenzer (17) zwischen dem Leistungsverstärker (9) und der Motorwicklung (7) angeordnet ist.
  6. S)- Elektromotor mit elektronischer.Kommutierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Verzögerungsvorrichtung (18), welche beim Anlassen des Motors nacheinander in die Detektorwicklung (8) einen Einstellimpuls, welcher den Rotor (2) in eine Stellung bringt, welche um 90 elektrische Gerade gegenüber der Motorwicklung (7) verschoben ist, und in die Motorwicklung (7) einen Anwurfimpuls schickt, welcher das Anwerfen des Rotors (2) erzeugt.
  7. 7)- Elektromotor mit elektronischer Kommutierung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen durch die Ver- ; zögerungsvorrichtung (18) gesteuerten Umschalter (19), welcher. j diese nach dem Anwerfen des Rotors (2) abschaltet.
  8. 8)— Elektromotor mit elektronischer Kommutie- ; rung nach einem der Ansprüche 1 bis .7» dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (l) durch einen Ferritzylinder gebildet wird, auf welchen η Wiclungspaare so gewickelt sind, dass die beiden Y/icklungen ein und desselben Paares Ringspulen bilden, deren ; Achsen um einen Winkel von ^ gegeneinander verschoben sind, i
  9. • 9)- Elektromotor mit elektronischer Kommutie- . rung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass er ein einziges Wicklungspaar besitzt. ; j
  10. 10)- Apparat mit Schwungrad, insbesondere Gyro-i skop, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwungrad von einem · Elektromotor mit elektronischer Kommutierung nach einem der ! Ansprüche 1 bis 9 angetrieben wird. ;
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