DE2238627C3 - Bürstenloser Gleichstrommotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit einem permanentmagnetischen Rotor und wenigstens zwei Statorwicklungen, deren Strom mittels am Steuereingang der Statorwicklungen angeordneter Steuereinrichtungen steuerbar ist, wobei zum Bremsen die in den Statorwicklungen erzeugten Ströme jeweils über eine Gleichrichterdiode und eine den Bremsstrom steuernde Stelleinrichtung geleitet sind, wobei alle Gleichrichterdioden die gleiche Polung aufweisen und die Stelleinrichtung an dem Verbindungspunkt der Gleichrichterdioden angeschlossen ist.

In Raumfahrzeugen werden Stabilisierungsschwungräder verwendet, um diesen eine ausreichende Steifigkeit um die zur Rotationsachse senkrechten Achsen zu verleihen. Gleichzeitig werden sie auch zur Erzeugung von Reaktionsmomenten um die Rotationsachse verwendet Hierfür wird die Drehzahl des Schwungrades in einem vorgegebenen Bereich um die Nenndrehzahl erhöht bzw. erniedrigt Durch die Drehzahländerung ergeben sich auch Änderungen des Motordrehmomentes, welches normalerweise derart bemessen ist daß es die Verlustmomente (z. B. Lagerreibiing, Eisenmomente) gerade kompensiert Diese Änderungen der Motordrehzahlen bewirken somit auf dem Raumfahrzeug Reaktionsmomente, so daß eine Drehung des Raumfahrzeuges um die Rotationsachse zustande kommt

Wird für den Antrieb des Schwungrades ein bürstenloser Gleichstrommotor verwendet so läßt sich durch Erhöhung des Antriebsstromes das Antriebsmoment sehr leicht erhöhen und somit auch ein Reaktionsmoment in einer Richtung sehr leicht erzeugen. Reaktionsmomente in der entgegengesetzten Richtung wurden bisher durch Abschalten des Motors erzeugt wobei Reaktionsmomente nur bis zur Größe der vorhandenen Verlustmomente möglich waren. Da jedoch wegen der Forderung nach einem guten Wirkungsgrad des Schwungrades diese Verlustmomente möglichst klein gehalten werden müssen, konnten auf diese Weise nur sehr kleine Reaktionsmomente erzeugt werden. Die für die Drehung des Raumfahrzeuges erforderliche Zeit war daher verhältnismäßig lang. Die Forderung nach hohen Reaktionsmomenten in beiden Drehrichtungen, d. h. nach hohen Beschleunigungs- und Bremsmomenten, ist jedoch für den optimalen Einsatz von Schwungrädern von entscheidender Bedeutung.

Aus der DE-OS 15 88 038 ist ein bürstenloser Gleichstrommotor bekannt, welcher mehrere Statorwicklungen aufweist. Die Statorwicklungen sind sowohl mit einer hinlänglich bekannten Steuereinrichtung, als auch über Gleichrichterdioden mit einer Regeleinrichtung, enthaltend einen steuerbaren Bremswiderstand, verbunden. Der Regeleinrichtung werden drehzahlabhängige Signale derart zugeführt, daß bei Überschreiten der Solldrehzahl der Bremswiderstand eingeschaltet bzw. gesteuert wird. Bei diesem bekannten bürstenlosen Gleichstrommotor ist somit ausschließlich die Drehzahl regelbar, wobei bei Unterschreiten der Solldrehzahl Bremsmomente nicht erzielt werden können.

Zum Bremsen von Gleichstrommotoren ist es andererseits bekannt, die Ankerwicklung mittels Schaltern oder Halbleiterelementen kurzzuschließen. Um einen bestimmten Bremsstrom zu erreichen, ist es auch der DE-AS 18 07 240 bekannt, durch zeitweises öffnen bzw. Schließen eines Thyristors den Bremsstrom auf einen mittleren Wert einzustellen. Da jedoch die im Anker induzierte Gegen-EMK drehzahlabhängig ist wird auch das Bremsmoment mit abnehmender Drehzahl immer kleiner. Weiterhin ist für die Steuerschaltung ein beträchtlicher Aufwand, insbesondere durch den zum Ansteuern der Thyristoren erforderlichen Impulsgenerator, nötig. AuS der ETZ. Ausgabe 1965, Heft 1, Seiten 20 — 23, ist es bekannt, einen als Schwungradantrieb bei Raumfahrzeugen verwendeten bürstenlosen Gleichstrommotor mittels eines Pulslängenmodulators auf konstanten Bremsstrom zu regeln.

Ein kollektorloser Gleichstrommotor mit den eingangs genannten Merkmalen ist aus der DE-OS 20 47 307 bekannt. Bei dieser bekannten Bremseinrichtung kann jedoch der Bremsstrom im unteren Drehzahlbereich nicht aufrechterhalten werden, da der Transistör in seiner Basis-Emitter-Spannung nicht nachgeführt wird. Außerdem wird dort eine externe Versorgungsspannung für die fest vorgegebene Basis-Emitter-Spannung benötigt.

Aufgabe und Lösung

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfachen, bürstenlosen Gleichstrommotor zu schaffen, dessen Bremsmoment ohne Verwendung einer externen Versorgungsspannung auf einen konstanten Wert regelbar ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Kennzeichen des ersten Patentanspruches gelöst

te Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen

Mit dem erfindungsgemäßen bürstenlosen Gleichstrommotor kann somit ein definiertes, von der Drehzahl des Motors weitgehend unabhängiges Bremsmoment erzeugt werden. Darüber hinaus zeichnet sich der Gleichstrommotor durch einen sehr einfachen Aufbau aus. Weiterhin hat es sich als sehr vorteilhaft erwiesen, vorhandene bürstenlose Gleichstrommotoren durch Hinzufügen der Steuer- und RegelungsmiUel derart umzurüsten, daß mit diesem die genannten Bremsmomente erzeugt werden können. Der damit verbünde Aufwand ist äußersJ gering und kann ohne konstruktive Änderungen am mechanischen Teil des Motors durchgeführt werden. Die praktisch unwesentliche Erweiterung der Elektronik bedingt nur eine geringe Vergrößerung des Gewichtes und des Platzbedarfes, was für die Anwendung in Raumfahrzeugen von entscheidender Bedeutung ist.

Die auslösenden Signale zur Erzeugung einer Bremswirkung können in vorteilhafter Weise berührungslos mittels eines optischen Kopplers, also ohne direkte, elektrische Eingangsimpulse von außen, zugeführt werden. Außerdem wird damit die Bremsschaltung ohne große Zeitverzögerung aktiviert, so daß das gewünschte Bremsmoment sofort zur Verfügung steht.

Es sei noch vermerkt, daß der erfindungsgemäße bürstenlose Gleichstrommotor nicht nur in Raumfahrzeugen vorteilhaft eingesetzt werden kann, sondern auch überall dort, wo Antriebe mit definierten drehzahlunabhängigen Momenten abgebremst werden müssen.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Ausführungsbeispiels,

Fig.2 die Schaltung eines Ausführungsbeispiels mit elektronischer Einschaltvorrichtung.

In F i g. 1 ist das Prinzipschaltbild eines Ausführungsbeispiels dargestellt mit drei Statorwicklungen 1, 2, 3, wobei von einer Steuereinrichtung, welche die zum Antreiben des Motors erforderlichen bekannten Schaltmittel enthält, nur die Anschlußklemmen 4 und 5 dargestellt sind. Die einen Enden der Statorwicklungen sind über eine an sich bekannte Gleichrichteranordnung 7, beispielsweise mit den in Stern geschalteten Dioden 6 verbunden. Der Ausgang der Gleichrichteranordnung 7 ist über Steuermittel 8 mit den anderen Enden der Statorwicklungen 1,2,3 verbunden. Diese Steuermittel enthalten einen beispielsweise als Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors 9 ausgebildeten regelbaren Widerstand. Die Basis des genannten Transistors 9 ist mit einer Regelschaltung 15 verbunden, in welcher über den Abgriff 11 ein dem Strom / proportionales Signal (Istwert) mit einem an der Klemme 12 zugeführten Sollwertsignal verglichen wird. Bei einer Soll-Ist-Wert-Differenz wird der Transistor 9 entsprechend angesteuert. Zur Stromversorgung der Regelschaltung 15 ist eine Stabilisierungsstufe 16 vorgesehen, welche zu den genannten Steuermitteln 8 parallel liegt und über den Anschluß 14 die Regelschaltung t5 mit einer konstanten Spannung versorgt. Die Regelschaltung 15 weist weiterhin einen Eingang 13 auf, über welchen die Regelschaltung zum Bremsen des Gleichstrommotors aktiviert wird.

Die Ständerwicklungen 1, 2, 3 werden zum Antrieb des Motors über die Klemmen 4 und 5 aus einer Steuereinrichtung (nicht dargestellt) derart eingespeist, daß in den Wicklungen je nach Stellung des Rotors die Ströme /1, i2, /3 fließen. Die Regelschaltung 15 ist dabei gesperrt, so daß auch über die Steuermittel 8 kein Strom fließen kann. Soll nur der Motor abgebremst werden, so wird die Ansteuerelektronik gesperrt und die Regelschaltung 15 über ein Signal am Eingang 13 aktiviert, so daß der dargestellte Teil des Motors wirksam wird. In den Statorwicklungen 1,2,3 wurden aufgrund des sich drehenden permanentmagnetischen Rotors Spannungen induziert (Gegen-EMK). Mit Hilfe der Gleichrichterschaltung 7 wird erreicht, daß jeweils die Wicklung mit der größten Spannung mit den Steuermitteln 8 verbunden ist. Die somit durch die Wicklungen 1, 2, 3 fließenden Teilströme sind den o.g. Strömen Z₁, i₂, k entgegengerichtet und bilden in der Summe den Bremsstrom /, wobei auf den Motor ein dem Bremsstrom / proportionales Bremsmoment wirksam wird. Der Bremsstrom / wird mit Hilfe der Regelschaltung und der Steuermittel 8 auf einen konstanten Wert geregelt, so daß auch für einen weiteren Drehzahlbereich ein drehzahlunabhängiges Bremsmoment wirksam wird.

F i g. 2 zeigt ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel. Zwischen dem Ausgang 19 der Gleichrichterschaltung 7 und dem Anschluß 4 der Statorwicklungen, ist ein Widerstand 18 und ein Leistungstransistor 20 geschaltet. Dem Leistungstransistor 20 ist ein Treibertransistor 21 vorgeschaltet. Parallel zum Transistor 20 und Widerstand 27 ist eine Stabilisierungsstufe 22 (integrierter Baustein) vorgesehen, deren Ausgang 23 ist über einen Spannungsteiler aus Widerständen 24,25 der Kollektor eines Regeltransistors 26 verbunden, dessen Emitter mit dem Emitter des Transistors 20 verbunden ist. Die Basisvorspannung des Transistors 26 wird an einem Potentiometer 27 abgegriffen, welches zwischen dem Ausgang 23 und dem Ausgang 19 des Gleichrichters liegt. Zum Aktivieren der Regelschaltung mit dem Regeltransistor 26 ist ein Transistor 29, der von einem optischen Koppler 28 angesteuert wird, mit der Basis des Transistors 26 verbunden. Der Transistor 26 ist, solange am optischen Koppler 28 kein Signal anliegt, gesperrt und somit auch der Leistungstransistor 20. Die Statorwicklungen werden in diesem Falle über die Anschlußklemmen 4,5 gespeist und der Rotor des Gleichstrommotors dreht sich in der vorgegebenen Richtung, welche durch die Reihenfolge der Ansteuerung der Statorwicklungen 1, 2, 3 bestimmt ist. Soll nun der Motor mit einem definierten Drehmoment abgebremst werden, so wird die Ansteuerung der Statorwicklungen 1,2, unterbrochen und an den optischen Koppler 28 ein Signal angelegt, so daß der Transistor 29 sperrt. Der Regeltransistor 26, die Verstärkerstufe 30 und über den Koppelwiderstand 31 auch der Leistungstransistor 20 werden aufgesteuert. Die Basis-Emitterspannung des Regeltransistors 26 wird nun durch die Spanungsabfälle am Potentiometer 27 und am Widerstand 18 bestimmt. Der Spannungsabfall am Widerstand 18 ist proportional

dem Bremsstrom /(Strom-Istwert). Mit Hilfe des Potentiometers 27 wird der Strom-Sollwert eingestellt. In den Statorwicklungen werden durch den sich drehenden permanentmagnetischen Rotor drehzahlabhängige Wechselspannungen induziert, so daß zwischen den Klemmen 4 und 19 eine gewellte Gleichspannung (gleichgerichtete Gegen-EMK), welche zudem noch drehzahlabhängig ist, anliegt. Die mit dem Potentiometer 27 eingestellte Spannung ist jedoch über die Stabilisierungsstufe 22 auf einen konstanten Wert eingestellt. An dem Widerstand 18 werden Spannungsänderungen jedoch zunächst voll wirksam.

Durch eine Erhöhung der Spannung am Widerstand 18 verringert sich beispielsweise die Basis-Emitter-

Spannung des Regeltransistors 26, durch dessen Emitter-Kollektor-Strecke somit ein geringer Strom fließt. Über den Treibertransistor 21 wird der Widerstand der Kollektor-Emitter-Strecke des Leistungstransistors 20 derart erhöht, daß der Bremsstrom / konstant bleibt. Um eine Überlastung des Leistungstransistors 20 zu vermeiden, ist zusätzlich ein Transistor 33 vorgesehen, welcher normalerweise gesperrt ist. Übersteigt jedoch der Bremsstrom / einen vorgegebenen Wert, so erhöht sich die am Potentiometer 34 abgegriffene Basis-Emitter-Spannung des Transistors 33, welcher dadurch leitend wird. Die Folge ist eine Verringerung der Basisspannung des Treibertransistors 21 und ein Sperren des Leistungstransistors 20.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Bürstenloser Gleichstrommotor mit einem permanentmagnetischen Rotor und wenigstens zwei Statorwicklungen, deren Strom mittels am Steuereingang der Statorwicklungen angeordneter Steuereinrichtungen steuerbar ist, wobei zum Bremsen die in den Statorwicklungen erzeugten Ströme jeweils über eine Gleichrichterdiode und eine den Bremsstrom steuernde Stelleinrichtung geleitet sind, wobei alle Gleichrichterdioden die gleiche Polung aufweisen und die Stelleinrichtung an dem Verbindungspunkt der Gleichrichterdioden angeschlossen ist, dadurch gekennezeichnet, daß bei Verwendung von an ihrem einen Ende miteinander verbundenen Statorwicklungen (1,2,3)die Reihenschaltung aus Gleichrichterdiodsn (6) und Stelleinrichtung (8„ 20) zwischen den Steuereingängen (5) der Statorwicklungen (1, 2, 3) und dem Verbindungspunkt der Statorwicklungen liegt, daß die Stelleinrichtung (8, 20) abhängig von der Regelabweichung des Bremsstromes von einem konstanten Sollwert gesteuert ist und daß parallel zu der Stelleinrichtung (8,20) eine Stabilisierungsstufe (16,22) geschaltet ist, die aus der gleichgerichteten Gegen-EMK des Motors eine konstante Versorgungsspannung für eine Bremsstromregeleinrichtung (15; 18, 24-27, 29-31) erzeugt

2. Bürstenloser Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelleinrichtung (8; 20) einen Transistor in Emitterschaltung aufweist, über dessen Kollektor-Emitter-Strecke der Bremsstrom fließt und dessen Basis von der Regelabweichung gesteuert ist

3. Bürstenloser Gleichstrommotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremsstromregeleinrichtung (15; 18,24-27,29-31) durch Signale, die vorzugsweise über einen optischen Koppler (28) zugeführt werden können, aktivierbar ist.

4. Bürstenloser Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Anwendung in einem Stabilisierungsschwungrad eines Raumfahrzeuges.