DE2152075C3

DE2152075C3 - Kollektorloser Gleichstrom-Motor, insbesondere zum Antrieb einer Einrichtung mit einem Schwungrad

Info

Publication number: DE2152075C3
Application number: DE2152075A
Authority: DE
Inventors: Claude Argenteuil Coupin; Alain Fontenay-Le-Fleury Deval
Original assignee: Sagem SA
Current assignee: Sagem SA
Priority date: 1970-11-05
Filing date: 1971-10-19
Publication date: 1979-11-15
Also published as: DE2152075A1; FR2112679A5; DE2152075B2; IT941076B; GB1363117A; CA946918A; US3794895A

Description

Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen Gleichstrommotor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein derartiger kollektorloser Gleichstrommotor, der insbesondere zum Antrieb eines Gyroskops dienen soll, ist aus der US-PS 29 29 008 bekannt. Bei diesem bekannten Gleichstrommotor ist das Ausgangisignal des Miller-Integrators dem einen Eingang eines Differenzverstärkers zugeführt, dessen anderem Eingang eine Bezugsspannung zugeführt ist. Das Einstellen der Drehzahl erfolgt dort durch Verändern der Bezugsspannung; der Differenzverstärker arbeitet ohne Schwellwert.

Aus der deutschen Auslegeschrift 12 44 283 ist eine Drehzahlregelung für einen kollektorlosen Gleichstrommotor bekannt, durch die die Motordrehzahl in weiten Grenzen stabil und schnell wirkend geregelt werden soll und bei der die Breite der Antriebsinipulse durch die Höhe einer in Reihe zu der Detektorspannung liegenden Gleichspannung bestimmt wird. Die von den Detektorwicklungen abgegebene und von Hochfrequenzschwingungen gefilterte Spannung wird dabei mit einer an einem Vorwiderstand einzustellenden Schwellspannung verglichen, so daß an dem Leistungsverstär-

ker eine einstellbare Schwellspannung erzeugender Spannungserzeuger angeschlossen ist. Dieser Gleichstrommotor ist jedoch in seinem Aufbau sehr aufwendig, da Antriebs- und Detektorwicklungen sich auf getrennten Kernen befinden müssen, deren Aufbau für höhere Drehzahlen sehr kostspielig wird. Außerdem benötigt die Regelungsschaltung eine zusätzliche Versorgungsspannung, die eine weitere Störungsmöglichkeit bietet, und eine komplizierte und aufwendige elektrische ίο Schaltung.

Aus der deutschen Auslegeschrift 10 60 327 ist schließlich ein Synchronmotor für einen Uhrenantrieb bekannt, bei dem dem elektronischen Schwingungserzeuger ein Rückkopplungssignal und ein von der Drehzahl des Motors abhängiges Signal als Synchronisierungssignal zugeführt werden. Auch aus der deutschen Offenlegungsschrir't 14 63 426 ist ein Gleichstrommotor bekannt, dessen Antriebswicklungen von mit einer Signalfrequenz angesteuerten Transistoren gespeist werden. Diese beiden bekannten Gleichstrommotoren sind insbesondere so ausgelegt, daß sie selbständig und im gewünschten Drehsinn anlaufen können.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen kollektorlosen Gleichstrommotor der eingangs genannten Art zu schaffen, dessen Drehzahl insbesondere im Bereich hoher Drehzahlen außerordentlich präzise eingestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 genannten Merkmale gelöst.

Eine erfindungsgemäße Abänderung des Gleichstrommotors nach Anspruch 1 ist in Anspruch 2 gekennzeichnet.

Bei dem erfindungsgemäßen Gleichstrommotor nach Anspruch 1 wird die gewünschte Drehzahl durch eine Änderung des Steuersignals am Phasenschieber eingestellt, bei dem Lösungsweg nach Anspruch 2 durch Ändern der Schwellspannung. Der erfindungsgemäße Motor eignet sich insbesondere für hohe Drehzahlen von etwa 650 Umdrehungen pro Sekunde, wie sie für Kreiselschwungräder vorteilhaft sind. Die für die Drehzahlregelung erforderliche Schaltungsanordnung ist beim erfindungsgemäßen Motor äußerst einfach und benötigt keine zusätzliche Spannungsversorgung. Die außerordentlich genaue Regelung wird dabei dadurch erreicht, daß die einzigen Abweichungen, die auftreten können, Abweichungen in der Stellung von Rotor und Ständer sind, so daß der relative Fehler der Drehzahl mit zunehmender Drehzahl verschwindend klein wird.

Um ein Anwachsen der Stromstärke bei kleinen Drehzahlen über den zulässigen Wert zu vermeiden, ist es zweckmäßig, daß ein Strombegrenzer zwischen dem Leistungsverstärker und der Motorwicklung angeordnet ist.

Bei einer für manche Zwecke vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind eine einzige Antriebswicklung und eine einzige dieser gleiche Detektorwicklung auf dem Stator im Inneren des Motors vorgesehen, deren Enden miteinander verbunden sind. Bei dieser Ausführungsform ist durch einfaches Vertauschen von Antriebs- und Detektorwicklung eine Umkehr der Drehrichtung des Motors möglich.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert:

F i g. 1 zeigt in einem Schaltbild den Grundaufbau des -rfindungsgemäßen Motors;

F i g. 2a und 2b zeigen in grafischen Darstellungen die Arbeitsweise des Motors nach Fig. 1;

F i g. 3 zeigt das Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Motors;

Fig.4 zeigt das Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Moti.rs;

Fig.5 zeigt in einer grafischen Darstellung die Arbeitsweise des in F i g. 3 dargestellten Motors;

Fig.6 zeigt in einem Diagramm den Verlauf des Motordrehmoments CaIs Funktion der Motordrehzahl ω;

F i g. 7 zeigt eine Axialschnittansicht eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Motors;

F i g. 8 zeigt eine Ansicht auf ein Ende des Stators des in F i g. 7 dargestellten Motors.

Der erfindungsgernäße kollektorlose Gleichstrommotor besitzt einen Stator 1, der beispielsweise im in den F i g. 7 und 8 dargestellten Ausführungsbeispiel innerhalb eines Rotors 2 angeordnet ist Der Stator 1 kann durch einen Ferritzylinder gebildet werden, auf welchen die Antriebswicklung 7 und die Detektorwicklung 8 so gewickelt sind, daß sie Ringspulen 7 und 8 bilden, deren Achsen X- Y bzw. Y- Y um 90 elektrische Grade gegeneinander versetzt sind (vgl. Fig. 8).

Der Rotor 2 wird im wesentlichen durch einen den Stator 1 umgebenden Dauermagneten 3 und durch ein Gehäuse 4 gebildet, welches an einer von dem Stator 1 getragenen festen Welle 5 mit Hilfe von Lagern 6 angebracht ist.

Im betrachteten Fall eines Motors mit einem einzigen auf den Stator 1 gewickelten Wicklungspaar sind die Wicklungen auch um 90 mechanische Grade gegeneinander versetzt, wie es in den F i g. 1,3 und 4 schematisch dargestellt ist.

Eine dieser beiden Wicklungen, nämlich die Antriebswicklung 7, wird durch einen Leistungsverstärker 9 mit wenigstens einer einstellbaren Schwellspannung ± V₅ gespeist, welcher die elektrische Kommutierung einer von einer Gleichspannungsquelle 10 kommenden Speisespannung ± V_A bewirkt.

Die andere Wicklung, nämlich die Detektorwicklung 8, liefert ein von der Drehzahl des Motors abhängiges Detektorsignal F(gj). Dieses wird einem eine Phasenverschiebung von 90° erzeugenden und aus einem Miller-Integrator bestehenden Phasenschieber 11 zugeführt, wobei das an dessen Ausgang abgegebene Steuersignal G den Leistungsverstärker 9 steuert.

Die Schwelle des Leistungsverstärkers 9 wird durch einen eine Schwellspannung ± V₅ liefernden Spannungserzeiiger 12 festgelegt.

In F i g. 1,3 und 4 sind vollausgezogen die elektrischen Verbindungen dargestellt, welche dem Fall entsprechen, daß der Leistungsverstärker 9 eine positive Schwelle hat, wobei dann die Speisespannung V _A die positive Spannung + V _A und die Schwellspannung V₅ die positive Spannung + V_s 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 Va die negative Spannung — V _A und die Schwellspannung die negative Spannung — Vs ist.

F i g. 2a und 2b sind Schaubilder, welche das Arbeiten des Motors für eine positive und negative Speisespannung + Va bzw. — Va darstellen, wobei dann der Leistungsverstärker 9 eine positive bzw. negative Schwelle hat, welche durch die positive bzw. negative Schwellspannung + K_sbzw. - Vjfestgelegtsind.

In das Schaubild der Fig. 2a ist eine Kurve eingezeichnet, deren Abszissen die Zeit t und deren Ordinaten das Steuersignal G des Phasenschiebers 11 sind. Diese Kurve wird durch zwei zu der Abszissenachse parallele Gerade vervollständigt, von denen die 5 obere vollausgezogene Gerade der die positive Schwelle festlegenden Schwellspannung +V₅ entspricht, während die untere gestrichelte Gerade der die negative Schwelle festlegenden Schwellspannung — V_s entspricht

ίο In das Schaubild der F i g. 2b sind die Antriebsimpulse Ia eingetragen, welche im Betrieb die Antriebswicklung 7 des Motors speisen, wobei die Abszissen die Zeit t und die Ordinaten die Speisespannung der Gleichspannungsquelle IQ sind. Die vollausgezogenen Impulse entsprechen der positiven Speisespannung + V_A und die gestrichelten Impulse der Speisespannung — Va-

Man sieht dann, daß jede Änderung der Schwellspannung + V₅ eine Änderung der Breite der positiven oder negativen Antriebsimpulse und somit eine Veränderung

2i) der Drehzahl des Motors zur Folge hat.

Die von dem Spannungserzeuger 12 erzeugte Schwellspannung ± V₅ kann dann zur Veränderung der Motordrehzahl auf verschiedene Art und Weise verändert werden.

In F i g. 1 ist eine einfache, zu dem Spannungserzeuger 12 führende mechanische Steuerung 13 dargestellt

Bei der in F i g. 3 gezeigten Ausführungsform handelt es sich um eine echte Nachführsteuerung, die auf dem folgenden technischen Prinzip beruht. Es wird als

jo Phasenschieber 11 ein Miller-Integrator verwendet, bei dem die Amplitude des an seinem Ausgang abgegebenen Steuersignals G einstellbar, jedoch unabhängig von der zu ω proportionalen Amplitude seines Eingangssignals F(m) ist. Als Schwellwert + V₅ oder — V₅ wird ein

j5 Wert genommen, der, wenn sich die Differenz C-F (ω) verkleinert, so lange ansteigt, bis der Wert G=F (ω) erhalten wird.

Der Miiler-Integrator besteht aus einem starken Verstärker lic und einer /?C-Schaltung, die aus einem Widerstand 11a mit einem Widerstandswert R und einem Kondensator Hb mit der Kapazität C aufgebaut ist. Ein solcher Phasenschieber weist einen Verstärkungsfaktor auf, der eine Funktion von — ist. Er wandelt

das Eingangssignal F(£o), dessen Amplitude eine lineare Funktion von ω (in Form von k(ü) ist, in ein Steuersignal Gum, das die gleiche Frequenz ω hat, dessen Amplitude jedoch von ω unabhängig und gleich dem Ausdruck

rrp; ist. Bei einer normalen Steuerung wird die

Amplitude des Steuersignals G mit Hilfe des Widerstandes 11a verändert.

Die Amplitude -^ des Steuersignals G wird in der Vergleichseinrichtung 14 mit der Amplitude Κω des Detektorsignals F(ci>) verglichen. Die Vergleichseinrichtung 14 liefert ein Nachführsteuersignal A* das in

diesem Fall proportional der Differenz zwischen ^, und

bo km ist. Dieses Nachführsteuersignal wird dem Spannungserzeuger 12 zugeleitet, der daraufhin die Schwellspannungen + Vsund — V₅ liefert, deren Höhe um einen Wert vergrößert wird, der zwischen Null bei ko) = Null (stehender Motor) und G liegen kann.

^b5 Erst wenn die Bedingung kw = ^γ- erfüllt ist, wird die

Motordrehzahl eingehalten.
Die Arbeitsweise der in Fig. 3 gezeigten Schaltung

wird in F i g. 5 erläutert. Die linke Seite dieses Schaubildes entspricht dem Betrieb bei einer sehr kleinen Drehzahl. Die rechte Seite zeigt die Gestalt der Signale, wenn der Motor sich mit seiner vorgeschriebenen Drehzahl dreht, die durch Einstellung des Widerstandes 11a bestimmt ist. Die zweite Kurve von oben zeigt den Verlauf des Detektorsignals F (ω), das von der Detektorwicklung geliefert wird. Wenn die Drehzahl gering ist, hat das Detektorsignal eine große Schwingungsdauer, und seine Amplitude ist ebenfalls gering. Die erste Kurve von oben zeigt die zeitliche Änderung des Steuersignals G des Phasenschiebers 11. Dieses Steuersignal zeigt die gleiche Schwingungsdauer wie F (ω), jedoch ist seine Amplitude erheblich größen Diese Amplitude bleibt unabhängig von der Drehzahl, die zwischen einem sehr geringen Wert (linker Teil der Figur) bis zur Synchrondrehzahl (rechter Teil der Figur) liegen kann, konstant.

Die dritte Kurve von oben zeigt die Änderung der Schwellspannung V₅, die vom Spannungserzeuger 12 geliefert wird. Diese Spannung ist praktisch Null, wenn der Motor eine sehr geringe Drehzahl aufweist. Wie aus der untersten Kurve in Fig.5 zu entnehmen ist, legt dementsprechend der Leistungsverstärker 9 dauernd eine Spannung an die Motorwicklung 7, wodurch sich der gezeigte stufenförmige Verlauf zwischen den Speisespannungen + V_A und - V_A ergibt. Das Steuersignal G des Phasenschiebers 11 ist dauernd größer als die Schwellspannung V*

Wenn im Gegensatz dazu die Synchrondrehzahl erreicht ist, hat die Schwellspannung V₅, die vom Spannungserzeuger 12 geliefert wird, den Wert

ß^ erreicht. Die Versorgung des Motors erfolgt sodann durch schmale Stromimpulse, die bei den Maxima von C auftreten, wie es aus der rechten Seite der letzten Kurve in F i g. 5 zu entnehmen ist.

In Fig. 4 ist eine Drehzahlregelung hoher Präzision angegeben. Hierbei wird nämlich das Detektorsignal F\u>) der Detektorwicklung mit einem Vergleichssignal F_p eines Frequenzgenerators 15 verglichen, dessen Frequenz als Sollwert die Drehzahl des Motors bestimmt. Auch bei dieser Ausführungsform wird ein Phasenschieber 11 des bereits beschriebenen Aufbaus verwendet, der ein Steuersignal G liefert, dessen Amplitude unabhängig von der Motordrehzahl ist. Eine Synchronisiervorrichtung 16 empfängt einerseits das Detektorsignal F(o)) und andererseits das Vergleichssignal Fp. Die Synchronisiervorrichtung 16 wird durch einen Phasenvergleicher gebildet. Er liefert dem Spannungserzeuger 12 ein Synchronisiersignal Sy. Die Synchronisiervorrichtung und der Spannungserzeuger sind dazu vorgesehen, daß die Schwellspannungen + V. und — V₅ so lange gleich Null sind, wie das Detektorsignal f\(o) und das Vergleichssignal F_p des Frequenzgenerators 15 nicht synchron sind. Bei Annäherung an

ίο die Synchronisierung liefern die Synchronisierungsvorrichtung 16 und der Spannungserzeuger 12 Schwellspannungen, die ansteigen, wenn sich die Phasenverschiebung verringert, bis sie die Höhe der konstanter Amplitude des Steuersignals G erreichen, wenn die Phasenverschiebung gleich Null ist

In allen Fällen wird zweckmäßig, wie in F i g. 1, 3 unc 4 dargestellt, für das Hochfahren des Motors eir Strombegrenzer 17 zwischen dem Leistungsverstärkei 9 und der Motorwicklung 7 vorgesehen.

Der durch diesen Strombegrenzer 17 erhaltene Vorteil ist an Hand der Fig.6 dargestellt, die der Verlauf des Motormoments C in Funktion dei Motordrehzahl ω darstellt.

Ohne einen Strombegrenzer wäre es notwendig entweder eine genügend schwache Spannungsversorgung zu verwenden oder einen Widerstand in Serie mii dem Motor zu schalten. Durch einen solchen Widerstand würde der in F i g. 6 gestrichelt dargestellte Verlauf des Motormoments in Abhängigkeit von der Drehzahl ohne Strombegrenzer in den durch die strichpunktierte Linie dargestellten Verlauf geändert bei dem der maximal zulässigen Stromstärke l_max eine Drehzahl Null entspricht Im Gegensatz dazu ist es durch den Einsatz eines Strombegrenzers 17 möglich eine Charakteristik entsprechend der ausgezogener Kurve zu erreichen.

Der erste Abschnitt dieser Kurve entspricht der durch den Strombegrenzer 17 erzeugten Begrenzung des Moments, der zweite Abschnitt entspricht dem normalen Verlauf des Moments, und der dritte Abschnitt entspricht der Wirkung der Regelung oder Steuerung des Leistungsverstärkers 9. Da die für das Erreichen dei Synchrondrehzahl ω₅ erforderliche Zeit umgekehn proportional der Fläche unter der Momentkennlinie ist wird diese Drehzahl erheblich schneller erreicht als bei Verwendung eines Serienwiderstandes. Außerdem isi das Motormoment bei dieser Drehzahl höher.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kollektorloser Gleichstrommotor, insbesondere zum Antrieb einer Einrichtung mit einem Schwungrad, mit π Paaren von auf einem Stator angeordneten Antriebs- und Detektorwicklungen, die gegeneinander um 90 elektrische Grade am Ständerumfang versetzt sind, wobei die Antriebswicklungen von einer Gleichstromquelle über einen Leistungsverstärker gespeist sind, dem als Steuersignal das Signal der Detektorwicklung über einen aus einem Miller-Integrator bestehenden Phasenschieber zugeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsverstärker (9) bei Überschreiten mindestens einer einstellbaren Schwellspannung (4-V₅, — V_%) leitend ist, daß die Schwellsp^nnung (4 V₅, - V₅) von einem Spannungserzeuger (12) in Abhängigkeit vom Nachführsteuersignal (A₅) einer Vergleichseinrichtung (14) erzeugt ist, die die Amplitudendifferenz aus dem Signal (Fa)) der Detektorwicklung (8) und dem vom Phasenschieber (11) gelieferten Steuersignal ^bildet (F i g. 3).

2. Abänderung des kollektorlosen Gleichs xommotors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung (Synchronisiervorrichtung 16) die Phasendifferenz aus dem Signal (Fu) der Detektorwicklung (8) und einem von einem Frequenzgenerator (15) gelieferten Vergleichssignal (F„;bildet(Fig.4).

3. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strombegrenzer (17) zwischen dem Leistungsverstärker (9) und der Motorwicklung (7) angeordnet ist.

4. Kollektorloser Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine einzige Antriebswicklung (7) und eine einzige dieser gleiche Detektorwicklung (8) auf dem Stator (1) im Inneren des Rotors (2) vorgesehen sind, deren Enden miteinander verbunden sind.