DE2252728A1

DE2252728A1 - Kollektorloser gleichstrommotor

Info

Publication number: DE2252728A1
Application number: DE2252728A
Authority: DE
Inventors: Benno Doemen
Original assignee: Papst Motoren GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst St Georgen GmbH and Co KG
Priority date: 1972-10-27
Filing date: 1972-10-27
Publication date: 1974-05-02
Also published as: JPS49132512A; US3906320A

Description

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PAPST - MOTOREN KG 19.10.72

D - 7742,St. Georgen/Schwarzw. 055/Rai-Doe/Sf

Karl-Maier-Straße 1 Tk&tCuy, fi'j *? <**

KoT lektorloser Gleichstrommotor (Zusatzanmeldung zur Patentanmeldung P 22 25 442.8 )

Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen Gleichstrommotor mit einem permanentmagnetischen Rotor, welcher Motor eine im Betrieb ein Lücken, aufweisendes Drehmoment erzeugende einsträngige Wicklung und Mittel zum Speichern von magnetischer Energie zur Überwindung dieser Momentenlücken aufweist, nach Patentanmeldung P 22 25 442.8.

Die Erfindung nach dem Hauptpatent vereinfacht den Aufbau von ,kollektorlosen Gleichstrommotoren und der zugehörigen Schaltung ganz wesentlich. Z, B. benötigt der in der Siemens-Zeitschrift 1966, S. 690-693 beschriebene Motor zum Erzeugen eines Drehfelds vier getrennt ansteuerbare Wicklungen, zu deren kontaktlosen Ansteuerung man zwei Hallgeneratoren und wenigstens vier Leistungstransistoren benötigt. Nach der Erfindung benötigt ein solcher Motor nur zwei Stranghälften, einen einzigen Hallgenerator und zwei Leistungstransistoren.

Aus der genannten Literaturstelle ist es bekannt, zur Drehzahlregelung eines solchen Motors mittels einer Einweg-Gleichrichter schaltung von den vier Wicklungen eine Spannung abzunehmen, deren Restwel1igkeit im dortigen Fall relativ klein ist und die sich deshalb gut für Regelzwecke eignet.

Bei Motoren nach dem Hauptpatent führt diese Schaltung jedoch zu keiner geeigneten Lösung, da man hierbei durch eine Einweg-Gleichrichterschaltung eine äußerst wellige Spannung erhält, die sich für Regelzwecke nicht eignet. Für einen Drehzahlregler wirkt nämlich die Welligkeit eines ihm zugeführten drehzahlab-

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hängigen Signals wie eine entsprechende Drehzahlschwankung, und der Drehzahlregelung ist deshalb ständig bestrebt, durch Regelvorgänge diese ihm vorgetäuschten Drehzahlschwan'kungen auszuregeln.

Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung hier eine Verbesserung zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird dies bei einem eingangs genannten Motor dadurch erreicht, daß Schaltglieder zum Abnehmen der in der jeweils stromlosen Stranghälfte induzierten Spannungen vorgesehen sind, daß die abgenommene, wellige Spannung in ihren Gleichspannungsanteil und ihren Wechselspannungsanteil getrennt wird, daß der Wechselspannungsanteil entweder invertiert oder um mindestens nahezu 180° in der Phase verschoben wird, und daß eine Kombination des invertierten oder phasenverschobenen Wechsel Spannungsanteils und des Gleichspannungsanteils zur Drehzahlregelung verwendet wird, um den Strom in den Stranghälften jeweils im Bereich der Zunahme der entsprechenden induzierten Spannung und Überschreitung eines vorgegebenen Schwellwerts einzuschalten. Man wertet also die in diesen induzierten Spannungen enthaltenen Informationen getrennt aus, wobei der invertierte oder um 180° verschobene Wechselspannungsanteil als im Betrieb praktisch invariant angesehen werden kann und nur dazu dient, die Stranghälften im richtigen Augenblick an die Betriebsspannung anzuschließen. Der Gleichspannungsanteil braucht dabei in sehr vorteilhafter Weise nicht besonders stark gesiebt zu werden, d.h. der Regler spricht schnell auf Drehzahländerungen an.

Für die Invertierung oder die Phasenverschiebung ergeben sich ver= schiedene Möglichkeiten, von denen im folgenden zwei an Beispielen beschrieben werden. So wird es möglich, in Verbindung mit der Lehre des Hauptpatents außerordentlich preiswerte drehzahlgeregelte kollektorlose Gleichstrommotoren zu schaffen und damit

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hochwertige Antriebe sehr preiswert zu realisieren, insbesondere,

soweit diese im Betrieb ein ungefähr konstantes Antriebsmomenf bei konstanter Drehzahl erfordern, wie das bei zahlreichen Arten von Antrieben der Fall ist.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbe.ispielen.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen kollektorlosen Gleichstrommotor,/gesehen längs der Linie I-I der Fig. 2; in Fig. 1 sind auch elektronische Schaltelemente für den Betrieb des Motors schematisch dargestellt,

Fig. 2 einen Längsschnitt, gesehen längs der Linie H-II der Fig. 1 durch den Motor nach Fig. 1,

Fig. 3a einen Schnitt, gesehen längs der Linien ILI-III der Fig. 1, in vergrößertem Maßstab,

Fig. 3b eine andere Ausführungsform der zur Energiespeicher= ung dienenden ferromagnetischen Elemente; diese Darstellung entspricht einem Ausschnitt aus- Fig. 1,'

Fig. 3c einen Schnitt, gesehen längs der Linien IIIc-IIIc der Fig. 3b, .

Fig. 4 eine schematische Draufsicht auf einen Teil des Permanent-Magnetrotors nach den Fig. 1 und 2, gesehen längs der Linie IV-IV der Fig. 1; Achse und Trageteile sind hier nicht dargestellt, und'die Fig. ist in einem etwas kleineren Maßstab gezeichnet als die Fig. 1 und 2,

Fig. 5 ein Schaubild mit Diagrammen zur Erläuterung der Wirkungsweise,

Fig. 6 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Regelschaltung,'

Fig. 7 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen

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Regelschaltung und
Fig. 8 eine Schaltungsalternative zu Fig. 6

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf eine aus einem isolierenden Werkstoff bestehende Platte 10, welche Ausnehmungen aufweist, in denen zwei eisenlose Flachspulen 11 und 12 befestigt sind, welche sich diametral gegenüberliegen. Die Platte 10, die auch die (nicht dargestellten) Schaltungselemente des Motors trägt, weist vier Befestigungslöcher 13 auf. In Ihrer Mitte befindet sich eine Ausnehmung 14, durch welche eine Welle 15 ragt, die an ihrem unteren Ende in (nicht dargestellten) Lagern gelagert ist. Wie Fig. 2 zeigt, sind auf dieser Welle, durch eine Distanzhülse 20 in einem genau vorgegebenen Abstand voneinander gehalten, zwei Weicheisenscheiben 16 und 17 befestigt, auf:, dönen axial polarisierte Ringmagnete 18 bzw. 19 befestigt sind. Die genaue Form der Polarisierung des Ringmagnets 18, welche zu derjenigen des Ringmagnets 19 spiegelbildlich ist, geht aus Fig. 4 hervor. Danach verlaufen die Pollücken 22 hier nicht genau radial nach auswärts, sondern unter einem Winkel alpha zu einem gedachten Radiusvektor 23, welcher durch die jeweilige Pollücke 22 verläuft. In Fig. 4 ist die ungefähre Richtung der Längsachse einer Pollücke 22 mit 24 bezeichnet. Da sich der Rotor 26, der im wesentlichen aus den Teilen 16 bis 20 sowie der zugeordneten Welle 15 besteht, in Richtung des Pfeiles 25 (Fig. 1 und 4) bewegt, erkennt man, daß die Pollücken 22 entgegen der Drehrichtung gegenüber dem Radiusvektor 23 verdreht sind. Bei der in Fig. 4 dargestellten bevorzugten Ausführungsform sind die PollUcken 22 außerdem noch in einer Weise gekrümmt, welche aus der zeichnerischen Darstellung klar hervorgeht.

Die Flachspulen 11 und 12 sind in Ausnehmungen der Platte 10 befestigt. Wie Fig. 1 schematisch zeigt, sind beide Spulen 11 und 12 durchgehend aus zwei parallelen, jeweils eine Stranghälfte bildenden Leitern 27 (durchgehende Linien) und 28 (gestrichelte

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Linien) gewickelt. Es handelt sich also um eine sogenannte bifir lare Wicklung. Der Leiter 27 beginnt an einem Anschluß A, der aus der Spule 11 herausgeführt ist und erstreckt sich ausgehend hiervon entgegen dem Uhrzeigersinn durch die Spule 11; daran anschließend erstreckt sich dieser Leiter 27 zur Spule 12, die er im Uhrzeigersinn durchläuft, und zwar bis zu einem aus der Spule 12 herausgeführten Anschluß E. Jede Spule hat eine Vielzahl von Windungen.

In genau derselben Weise erstreckt sich parallel zum Leiter 27 der Leiter 28 von einem Anschluß A¹ an der Spule 11 zu einem Anschluß E¹ an der Spule 12. .

Nehen der Flachspule 12 ist ein Hall-Generator 42 befestigt. ' Er liegt etwa auf einem Radiusvektor 37, welcher unter ca. 45^Q (90° elektrisch) zur Verbindungslinie der beiden Spulen 11 und 12 verläuft.

Ferner sind auf der der Drehrichtung entgegengesetzten Seite der Spule 11 und an sie anschließend zwei ferromagnetische Elemente 45 und 46 angeordnet, welche wie dargestellt nebeneinanderliegen, aber einen Abstand voneinander aufweisen, der von ferromagnetischen Teilen frei ist. Die Form der (identischen) Elemente 45 und 46 geht klar aus Fig. 3a hervor, sie werden zweckmäßig durch Feinstanzen (ein besonders genaues Stanzverfahren) aus Weicheisenblech hergestellt und sind zu ihrer in Fig. 3a mit 47 bezeichneten Längsachse symmetrisch. An ihrem der Drehrichtung zugewandten stumpfen Ende 48 haben sie jeweils Anfasungen 49; hieran schließt sich ein Abschnitt 5Q von etwa konstanter Dicke an, und.dieser Abschnitt bildet auf seinen beiden Seiten gleichgroße Luftspalte 51 und 52. Es liegt dabei auf der'^vHand, daß auch bei sorgfältigster Montage diese Luftspalte 51 und 52 meist nicht genau identisch sein können. Durch Aufbau und Anordnung dieser Elemente 45, 46 werden aber die nachteiligen Folgen solcher Asymmetrien gemildert» um die Laufryhe

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-fides erfindungsgemäßen Motors möglichst groß zu machen. - Anschließend an den Abschnitt 50 folgt die keilförmig sich verjüngende Spitze 53, welche ganz vorne zweckmäßig mit einer Rundung 54 abschließt, die in eine entsprechende hohli Rundung < 55 der Platte 10 eingerastet ist. Zweckmäßig werden die ferromagnetischen Elemente 45 und 46 meist noch mitjder Platte 10 verklebt, was gleichzeitig mit dem Verkleben der Spulen 11 und 12 erfolgen kann. Dabei läßt man zweckmäßig die Unterseite der Elemente 45, 46 mit der Unterseite der Platte 10 fluchten, wie das Fig.3aklarzeigt.

Die Fig. 3b und 3c zeigen eine andere, noch einfachere erfindungsgemäße Ausgestaltung und Anordnung der dort mit 45' und 46' bezeichneten ferromagnetischen Teile. Gleiche oder gleichwirkende Teile wie in den vorhergehenden Figuren sind in den Fig. 3b und 3c mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und werden nicht nochmals beschrieben. Auch bei dieser Anordnung erhält man eine Milderung der Folgen von Asymmetrien, wie sie zuvor bei Fig. 3a beschrieben wurde.

Wie aus Fig. 3c hervorgeht, sind die (miteinander identischen) Teile 45' und 46' etwa rechteckförmig ausgebildet und sowohl zu ihrer Längsachse 47 wie zu ihrer Querachse 44 symmetrisch, so daß sich eine sehr einfache Herstellung ergibt» z, B, ebenfalls durch Feinstanzen. An ihren vier Ecken sind sie mit gleichen Anfasungen 49 versehen. Sie bilden auf beiden Seiten gleich große Luftspalte 51 und 52. Beide Teile sind mit der Platte i0 verklebt, und ihre Unterseite fluchtet mit der Unterseite der Platte 10.

Bei dieser Ausführungsform ergibt sich eine andere Winkellage der beiden Teile zueinander. Während das Teil 45' die gleiche" Lage hat wie das Teil 45 in Fig. 1, liegt dal Till 46· etwa tangential zum Ringmagnet 18, wie das Fi<j_f 3 b klar zeigt, z.B.

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beträgt bei Fig. 3a der Winkel zwischen den Teilen 45 und 46 etwa 10 ... 15°, während bei Fig. 3b der Winkel zwischen den · Teilen 45' und 46' etwa 30 bis 50° beträgt. Dies ist eine Folge der anderen Formgebung gemäß Fig. 3c. Die Befestigung ist bei Fig. 3b ersichtlich in einfacher Weise möglich, da die Teile 45' und 46' weiter aus'ei nanderl iegen .

Die Längsachsen der Elemente 45 und 46 (bzw. 45' und .46') schneiden sich also, und die Spitze 56 (Fig. 1) ihres Schnittwinkels ist der Drehrichtung 25 zugewandt. Hierdurch wird es möglich, beide Elemente innerhalb eines gedachten sphärischen Dreiecks mit den Eckpunkten 57, 58 und 59 unterzubringen, wobei die Eckpunkte 57 und 58 auf dem Rand der .Spule 11 und der Eckpunkt 59 auf der strichpunktierten Linie liegt, welche den äußeren Rand des Ringmagneten 18 andeutet. Auf d^ese Weise, nimmt das Volumen dieser Elemente, das zur Speicherung magnetischer Energie dient, ausgehend von der Basislinie 57-58 des gedachten Dreiecks in Richtung zu seiner Spitze 59 hin ab, wobei das Element 45 bzw. 45' etwa parallel zur Basislinie liegt, so daß dort das große Speichervolumen liegt. Ersichtlich ergeben sich im Rahmen dieser Überlegungen vielfältige konstruktive Möglichkeiten für die Anordnung der ferromagnetischen Elemente. Zum Beispiel könnte man auch Stifte (nach Art von Nägeln ohne Köpfe) aus Weicheisen in die Platte 10 einschießen und mit diesen Stiften, die jeweils einen bestimmten Abstand voneinander aufweisen, das gedachte Dreieck zwischen den Punkten 57, 58 und 59 so ausfüllen, daß sich der gewünschte Momentenverlauf ergibt, wobei auch die Höhe der einzelnen Stifte variiert werden kann, z. B. so, daß diese Höhe in Richtung zum Punkt 59 hin abnimmt. Dabei müßten auch diese Stifte symmetrisch im Luftspalt angeorndet werden.

Aus Fig. 1 erkennt man ferner, wie nach der Lehre des Hauptpatents die Pollücken 22 j'eweils etwa senkrecht zu dem magnetisch aktiven Spulenabschnitt 33 bzw. 36 verlaufen, dagegen praktisch parallel zu dem magnetisch aktiven Spulenabschnitt. 34 bzw. 35.

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Hierdurch wird es nach der Lehre des Hauptpatents ermöglicht, die ferromagnetischen Elemente neben und nicht über oder unter der Flachspule 11 anzuordnen, da die Pollücken 22 so beim Vorbeilaufen an diesen Elementen gleichzeitig auch mit dem benachbarten, magnetisch aktiven Spulenteil (z. B. 33) in Wechselwirkung treten können, wie das Fig. 1 klar zeigt.

Wie in Fig. 1 dargestellt, sind zum Steuern des Stromes in den beiden Leitern 27 und 28 zwei Transistoren 63 bzw. 64 vorgesehen, deren Emitter jeweils an einen Minuspol 65 einer Gleichspannungsquelle angeschlossen sind. Der Kollektor des Transistors 49 ist mit dem Anschluß A des Leiters 27, der Kollektor des Transistors 64 mit dem Anschluß E¹ des Leiters 28 verbunden. Die Anschlüsse A¹ und E sind jeweils mit dem Pluspol 66 der Gleichspannuiigsquell e verbunden. Die Basis des Transistors 63 und die BastVd.es Transistors 64 sind jeweils an einen der Steuerausgänge des Hall-Generators 42 angeschlossen, dessen beide anderen Anschlüsse an den Minuspol 65 und - über einen Einstellwiderstand 67 - an den Pluspol 66 der Gleichspannungsquelle angeschlossen sind.

Fig. 5 erläutert in den obersten drei Reihen die Wirkungsweise des Motors nach den Fig. 1 bis 4. Dort ist in der zweiten Reihe mit 75 eine Kurve bezeichnet, welche das durch den Strom in den Leitern 27 und 28 erzeugte Drehmoment darstellt, das bei laufendem Motor im Rotor 26 erzeugt wird. Wie man klar sieht, treten im Momentenverlauf Lücken auf, die in Fig. 5 mit 76 bezeichnet sind. Diese Momentenlücken 76 sind deshalb unerwünscht, weil sie in ungünstigen Fällen den Anlauf des Motors verhindern und im Betrieb ein ungleichmäßiges Drehmoment ergeben.

Durch die mit Hilfe der Formstücke 45 und 46 bzw. 45' und 46' gespeicherte magnetische Energie wird ein zusätzliches Reluktanz-Drehmoment erzeugt, dessen Form in Fig. 5 in der ersten und zweiten Reihe dargestellt und mit 77 bezeichnet ist. Es hat die in Fig. 5 dargestellte unsymmetrische Form. Dabei gilt, daß die

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Fläche 78 jeweils der Fläche 79 entspricht. Die untere Begrenzung der Fläche 78 stellt ein Bremsmoment "dar, die obere Begrenzung der Fläche 79 dagegen ein positives, also antreibendes Drehmoment. Mit 80 ist das Summenmoment bezeichnet, das sich durch die Überlagerung der Momentenkurven 77 und 75 ergibt; bei geeigneter Bemessung kann dieses Summenmome.nt über dem gesamten Drehwinkel praktisch konstant gehalten werden.

Durch die Ausführung der einsträngigen Wicklung aus zwei parallelen Leitern wird erreicht, daß auf den Rotor 26 ein praktisch symmetrisches Drehmoment ausgeübt wird, welches die Lager des Rotors nicht mit einseitigen Kräften belastet. Ferner wird erreicht, daß die auf den Rotor wirkenden axialen magnetischen Kräfte ebenfalls symmetrisch sind und daher die Laufgeräusche eines solchen Motors besonders klein werden. Legt man in der in Fig. 1 dargestellten Weise an den Kollektor des Transistors 63 eine Diode 68 und an den Kollektor des Transistors 64 eine Diode 69 und führt deren Kathoden an einen Punkt 70, so erhält man an diesem Punkt eine Spannung u-, , deren Verlauf in Fig. 5 in der untersten Reihe dargestellt ist. Diese Spannung, deren Betrag der Drehzahl des Motors proportional ist, hat, wie dargestellt, eine große Welligkeit. Würde man mit dem Transistor 63 nur die Spule 11 und mit dem

Transistor 64 nur die Spule 12 schalten und bei einer solchen Schaltung in der gleichen Weise mit den Dioden 68 und 69 die induzierte Spannung abnehmen, so könnte es bei Unsymmetrien im Motoraufbau vorkommen, daß die in den Einzelspulen induzierten Spannungen starke Unsymmetrien aufweisen, wie dies in Fig. 5 durch die strichpunktierte Linie 71 dargestellt ist, die um einen Betrage» u größer ist als der Spitzenwert ü(der induzierten Spannung in der anderen Spule. Bei einer Regelschaltung wäre eine solche Unsymmetrie sehr unerwünscht und würde zu zusätzlichen Glättungsmaßnahmen zwingen, die aber recht schwierig durchzufUh-

/~ bzw. unterschiedliche Amplituden - 10 -

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ren wären, weil diese Unsymmetrien dieselbe niedrige Frequenz haben wie die Taktfrequenz eines der Transistoren 63 oder 64, also die Maschinenfrequenz des Motors, während eine Spannung« u_? ,/⁼ wi-t-afttepei-ftaRäep-i-äeRfei&ebeR-i-ftdwsieiete»-Spannung eine höhere Grundfrequenz hat, welche doppelt so groß ist wie diese Taktfrequenz und daher wesentlich leichter geglättet werden kann. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung, bei der die induzierten Spannungen u- jeweils in beiden Spulen 11 und 12 induziert werden, erreicht man eine äußerst gleichmäßige Form der induzierten Spannungswellen, so daß man diese für Regelzwecke verwenden kann.£Wie _aus Fig. 5 hervorgeht, hat die induzierte Spannung Uy zwar gleichförmige Wellen, doch ist ihre Welligkeit außerordentlich groß. Außerdem ist diese Wenigkeit für eine Drehzahlregelung mit üblichen Reglern nicht geeignet, was sich wie folgt erklären läßt: Ein üblicher Drehzahlregler ist so ausgelegt, daß er dann den Strom im Motor erhöht oder überhaupt einschaltet, wenn die seinem Eingang zugeführte drehzahl abhängige Spannung (der sogenannte Istwert) unter einen vorgegebenen Wert (den sogenannten Sollwert) abgesunken ist. Dies ist bei der Spannung U₇ (Fig. 5) z. B. zwischen den Zeitpunkten t, und t~ der Fall, ibenso zwischen den Zeitpunkten t, und t* etc. Ein konventioneller Drehzahlregler würde also dem zu regelnden Motor jeweils zwischen den Zeitpunkten t, und X^ einen Strom zuführen, dann zwischen tg und t. etc. Wie man aber aus Fig. 5 ohne weiteres erkennt, benötigt ein erfindungsgemäßer einsträngiger Motor seinen Speisestrom zu ganz anderen Zeitpunkten, nämlich z. B. zwischen den Zeitpunkten t~ und t, , wie sich das aus dem Verlauf der Momentenkurve 75 in Fig. 5 ergibt. Denn nur in diesem Zeitbereich liegen die stromdurchflossenen Leiter im Erregerfeld. Aus Gründen des Wirkungsgrades ist außerdem zu fordern, daß der Strom in den Motorwicklungen bevorzugt jeweils dann fließt, wenn die induzierte Spannung U₇ sich im Bereich ihres Maximums befindet. Diese bevorzugten Bereiche sind in Fig. 5 mit T, und Tg bezeichnet. Ein konventioneller Regler verringert aber in diesen Bereichen

/"* welche sich aus induzierten Spannungen _ - -

gleicher Amplitude zusammensetzt,

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den Strom im Motor auf einen möglichst kleinen Wert, da diese Spannungsspitzen dem Regler anzuzeigen scheinen, daß die Drehzahl des zu regelnden Motors über dem Sollwert liegt. Man kann · mit anderen Worten auch sagen, daß ein konventioneller Regler hier durch die Wenigkeit des verfügbaren Signals getäuscht wird. ·

Fig. 6 zeigt, wie nach der Erfindung dieses Problem gelöst und bei einem erfindungsgemäßen einsträngigen Motor eine qualitativ hochwertige Regelung ermöglicht wird. Gleiche oder gleichwirkende Teile werden in Fig. 6 mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet wie in den vorhergehenden Figuren und nicht nochmals beschrieben.

Der zwischen dem Hallgenerator 42 und der Plusleitung 66 liegende variable Widerstand 67 (Fig. 1) ist hier ersetzt durch einen Festwiderstand 83 in Serie mit der Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors 84. Die Basis des Transistors 84 ist über einen Verbindungspunkt 85 und einen Widerstand 86 mit dem Ausgang eines Operationsverstärkers 87 verbunden, welcherüber eine Leitung 88 mit der Plusleitung 66 und eine Leitung 89 mit der Minusleitung 65 verbunden ist. Da der Verstärker 87 einen Verstärkungsfaktor in der Größenordnung von 50.000 aufweist, der für den vorliegenden Anwendungsfall eher zu groß ist, ist eine Gegenkopp-, lung vorgesehen, und zwar liegt zwischen dem Punkt 85 und der Leitung 89 ein Kondensator 90 (z.B. 10OnF), und zwischen dem Punkt 85 und der Minusleitung 65 liegt ein Widerstand 91, z.B. 1 kOhm. Diese Schaltglieder verhindern, daß der Verstärker 87 zu schnell schaltet, wobei er HF-Störungen verursachen könnte. Außerdem wird hierdurch das magnetische Motorgeräusch verringert.

Der Verstärker 87 hat zwei zueinander inverse Eingänge 94 und.95. Sein Ausgang wird positiv und liefert über den Widerstand 86 einen Basisstrom in den Transistor 84, wenn der Eingang 94 positiVggls der Eingang 95 wird,

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Als Referenzspannungsgeber ist eine Zenerdiode 96 vorgesehen, deren Kathode an die Plusleitung 66 angeschlossen ist, während ihre Anode über einen Verbindungspunkt 97 und einen Widerstand 98 mit der Minusleitung 65 verbunden ist. Nimmt man an, die Plusleitung 66 habe das Potenial OV, so sieht man, daß der Punkt 97 ein um die Zenerspannung negativeres Potential hat_t z,. B. -7,5V.

Parallel zur Zenerdiode 96 liegt die Reihenschaltung eines Widerstands 97 und eines Potentiometers 98. Der Abgriff des Potentiometers 98 ist mit dem Eingang 94 verbunden, so daß dieser bei stehendem Motor ein positiveres Potential hat als der Punkt 97. Ferner ist der Eingang 94 über einen Kondensator 99 (z.B. 2 Mikrofarad) und einen Widerstand 100 (z.B. 100 kOhm) mit dem Punkt 70 verbunden. Der Kondensator 99 läßt nur den Wechselsptnnungsanteil der Spannung U₇ (Fig.5) zum Eingang 94 gelangen. Dort wird dieser Anteil dem Potential am Abgriff des Potentiometers 98 über-·· lagert, also ins Negative verschoben, so daß man die in Fig. 5 in der zweituntersten Reihe dargestellte Kurvenform 103 erhält, d.h. eine einem negativen Potential überlagerte Kurve. Man erkennt, daß die Maxima der Spannungskurve U₇ den Minima der Kurve 103 entsprechen und umgekehrt, d.h. der Wechselspannungsanteil der Spannung U₇₀ ist um 180° in der Phase verschoben bzw. in der Phase gedreht worden.

Der Punkt 97 ist außerdem über einen Widerstand 104 (z.B. lOkOhm) mit dem Eingang 95 verbunden, welcher seinerseits über einen Widerstand 105 (z.B. 100 kOhm) mit dem Punkt 70 und über einen Kondensator 106 (z.B. 2 Mikrofarad) mit der Plusleitung 66 verbunden ist. Die Schaltelemente 105 und 106 wirken als Siebglied, das nur; den Gleichspannungsanteil der Spannung U₇ durchläßt und diesen Anteil zugleich glättet.

Die Teile 99, 100, 105 und 106 bilden also zusammen eine Frequenzweiche 107.

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Die beschriebene Schaltung arbeitet wie folgt;

Es sei zunächst angenommen, daß der Motor gerade im Anlauf ist und sich erst langsam dreht. Der Gl eichspannungsantei1 der Spannung U₇₀ ist dann noch klein und das (periodisch schankende) Potential des Punktes 70 geht nur wenig über das Potential.der Plusleitung 66 hinaus, das wie erläutert als Potential OV betrachtet wird. Durch den aus den Widerständen 105 (z.B. 100 kOhm) und 104 (z.B. 10 kOhm) bestehend-en" Spannungsteiler-erhäl t daher der Eingang 95 ein gegenüber der Leitung 66 negatives Potential 107 (Fig. 5), das durch den Kondensator 106'geglättet ist und das ständig negativer ist als das Potential 103 (Fig. 5) am Eingang 94. Somit ist der Ausgang des Verstärkers 87 zu allen Zeitpunkten positiv und schaltet über den Widerstand 86 den Transistor 84 ein, und der Motor läuft, durch seinen einzigen Hangenerator 42 gesteuert, hoch, wobei jeweils wie beschrieben magnetische Energie in den ferromagnetischen Elementen 45, 46 gespeichert wird, um die Momentenlücken 76 zu überbrücken.

Beim Erreichen der gewünschten Solldrehzahl hat der Gleichspannungsanteil der Spannung U₇ einen ziemlich großen Wert erreicht, und entsprechend ist auch das Potential am Eingang 95 positiver geworden und hat den Wert 108 (Fig. 5) erreicht. Wie man aus Fig. 5 erkennt, ist dieses Potential 108 vom Zeitpunkt 0 bis zum Zeitpunkt ι,- positiv gegenüber dem Potential 10'3, d.h. der Transistor 84 wird durch den negativen Ausgang des Verstärkers 87 gesperrt und der Motor erhält keinen Strom. .

Im Zeitpunkt t₅ wird das Potential 108 negativer als das Potential 103 und der Motorstrom ig₃ (unterste Reihe von Fig. 5) beginnt zu fließen, und zwar bis zum Zeitpunkt t_g, an dem- das Potential 108 wieder positiver wird als das Potental 103 und deshalb der Transistor 63 wieder sperrt, da der Hallgenerator 42 stromlos wird. ,

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Zum Zeitpunkt ty wird dann das Potential 108 wieder negativer als das Potential 103 und es wird der Transistor 64 eingeschaltet, so daß ein Strom ig. fließt, und zwar bis zum Zeitpunkt tg.

Der beschriebene Vorgang wiederholt sich ständig. Wird die Drehzahl größer, so kann man sich die Kurve 103 als praktisch unveränderlich denken, während die Kurve 108 nach oben wandert, so daß der Stromflußwinkel kleiner wird und der Motor weniger Strom erhält. Bei sehr hohen Oberdrehzahlen, entsprechend der Potential kurve 109 in Fig. 5, wird der Motor völlig stromlos. Ein solches völliges Aussetzen des Motorstroms kommt aber im normalen Betrieb mit einer bremsenden Last nicht vor* Bei einer zeitweise antreibenden Last kann man in üblicher Weise eine BremsschJaltung vorsehen.

Fällt die Drehzahl unter die vorgegebene Solldrehzahl, so wird der Stromflußwinkel größer und die Drehzahl steigt wieder an.

Man erhält durch die Erfindung also die gewünschte Einschaltung der Motorwicklungen jeweils in den Augenblicken, in denen die induzierte Spannung sich ihrem Maximum nähert.

Zum kontaktlosen Ein- und Ausschalten des erfindungsgemäßen Gleichstrommotors kann man bei der Schaltung nach Fig. 6 zwischen das Potentiometer 98 und den Punkt 97 in der dargestellten Weise eine Diode 101 so einschalten, daß ihre Kathode am Punkt 97 liegt, wobei man ihre Anode mit der Kathode einer Zenerdiode 102 verbindet. Legt man dann an den mit der Anode der Zenerdiode 102 verbundenen Punkt 109 an ein negatives Potential von z.B. -20V, bezogen auf die Minusleitung 65, so wird die Diode 101 blockiert und der Eingang 94 erhält eine stark negative Vorspannung, so daß der Motor stromlos wird und stehenbleibt.

Bei der Schaltung nach Fig. 6 können in der üblichen Weise Temperatur- und Spannungskompensationen vorgesehen werden, um die Drehzahl auch bei Temperatur- und Spannungsänderungen konstant

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zu halten. Dasselbe gilt für die im folgenden beschriebene Schaltung nach Fig. 7. Auch eine Störgrößenbeaufschlagung zum besonders schnellen Ausgleich von Lastwechseln ist in beiden Fällen möglich.

Fig. 7 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform. Diejenigen Teile, welche sich links von der in den Fig. 6 und 7 mit 111 bezeichneten strichpunktierten Linie befinden, sind in beiden Figuren gleich und sind deshalb in Fig. 7 nicht nochmals dargestellt. Die Linie 111 kreuzt die Plusleitung 66 an einem Punkt 112 und die Minusleitung 65 an einem Punkt 113. Gleiche oder gleichwirkende Teile wie in Fig. 6 werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet wie dort und nicht nochmals beschrieben.

Bei der Schaltung nach Fig. 7 ist ein Regel verstärker 114 vorge-, sehen, der ebenso wie der Verstärker 87 als Operationsverstärker mit Gegenkopplung aufgebaut sein kann und der ein (nicht dargestelltes) Referenzglied enthält, z.B. eine Zenerdiode. An seinem Eingang werden über zwei Widerstände 115 und 116 nach dem Prinzip des Rechenverstärkers zwei Signale überlagert, nämlich einmal der Gleichspannungsanteil der Spannung u-, , der vom Siebglied 105, 106 dem Widerstand 115 zugeführt wird, und andererseits der mittels eines Umkehrverstärkers 117 invertierte Wechselspannungsanteil der Spannung Uj , der über den Kondensator 99dem Eingang des Umkehrverst.ärkers 117 zugeführt und von dessen Ausgang an den Widerstand 116 weitergeleitet wird.

Zur Beschreibung der Wirkungsweise der Schaltung na.ch Fig. 7 wird auf die in den verschiedenen Kreisen wiedergegebenen.Signalformen Bezug genommen. Im Kreis 121 ist der Verlauf des Wechselspannungsanteils der Spannung U^₀ (vgl. Fig. 5) dargestellt,, im Kreis 122 der Verlauf des Gleichspannungsanteils, dessen mit U bezeichnete Größe eine direkte Funktion der Drehzahl des Motors ist.

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Der Kreis 123 zeigt den Verlauf des invertierten Wechselspannungsanteils am Ausgang des Verstärkers 117. Ersichtlich könnte man hier auch den um 180° phasenverschobenen Kurvenverlauf gemäß Kreis 121 verwenden, wobei man dann statt des Verstärkers 112 einen Phasenschieber verwenden würde.

Der Kreis 124 zeigt die Oberlagerung des Gleichspannungsanteils (Kreis 122) mit dem invertierten Wechselspannungsan|eil (Kreis 123). Man kann sich das Ganze bildlich so vorstellen, daß der invertierte Wechselspannungsanteil (Im Kreis 124) bei steigender Drehzahl wie mit einem Aufzug nach oben verschoben w4rd> seine Form dabei aber praktisch nicht ändert.

Im Regel verstärker 114 wird das Überlagerungssignal (Kreis 124) mit einem einstellbaren Referenzsignal verglichen, so daß man am Ausgang des Verstärkers 114 die im Kreis 125 dargestellten Impulse 126 erhält, die jeweils mit den Maxima der Spannung u^ zusammenfallen und deren Breite eine Funktion der Drehzahl ist in dem Sinne, daß diese Impulsbreite mit steigender Drehzahl immer mehr abnimmt. Ggfs.könnte natürlich bei gleichbleibender Impulsbreite auch die Impulsamplitude mit steigender Drehzahl immer mehr abnehmen.

Fig. 8 zeigt eine Schaltungsvariante zu Fig. 6. Gleiche Teile wie in Fig. 6 sind in Fig. 8 mit denselben Bezugszeichen bezeichnet wie dort.

Zur Pegel verschiebung ist hier ein Konstantstromglied 130 vorgesehen, das mit einem Anschluß an die Minusleitung 65 und mit dem anderen Anschluß über ein Potentiometer 131 und einem Widerstand 132 mit der Plusleitung 66 verbunden ist. Der Abgriff des RJtentiometers 132 ist mit dem Eingang 94 des Verstärkers verbunden. Die Arbeitsweise ist ähnlich der im Zusammenhang mit Fig. 6 beschriebenen.

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Durch die Erfindung gelingt es also in geschickter Weise, die an sich für eine Regelung ungeeigneten Eigenschaften der in den Wicklungen durch den permanentmagnetischen Rotor induzierten Spannungen durch einfache schaltungstechnische Maßnahmen in sehr vorteilhafter Weise auszunutzen und ein Arbeiten eines solchen Motors bei geregelter Drehzahl und sehr gutem Wirkungsgrad zu ermöglichen.

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098Ϊ 8/OS-¹? 3

Claims

223" 28

PAPST - MOTOREN KG θΙέ/^Doe/Sf

D - 7742 St. Georgen/Schwarzw.
Karl-Maier-Straße 1

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Patentansprüche

I)J Kollektorloser Gleichstrommotor mit einem permanentmagne-"Tischen Rotor, welcher Motor eine im Betrieb ein Lücken aufweisendes Drehmoment erzeugende einsträngige Wicklung und Mittel zum Speichern von magnetischer Energie zur Überwindung dieser Momentenlücken aufweist, nach Patentanmeldung P 22 25 442.8, dadurch gekennzeichnet, daß Schaltglieder (68, 69) zum Abnehmen der in der jeweils stromlosen Stranghälfte induzierten Spannung vorgesehen sind, daß die abgenommene, wellige Spannung (Uy ) in ihren Gleichspannungsanteil und ihren Wechselspannungsanteil getrennt wird, daß der Wechselspannungsanteil entweder invertiert oder um mindestens nahezu 180 in der Phase verschoben wird, und daß eine Kombination des invertierten oder phasenverschobenen Wechselspannungsanteils und des Gleichspannungsanteils zur Drehzahlregelung verwendet wird, um den Strom in den Stranghälften jeweils im Bereich der Zunahme der entsprechenden induzierten Spannung und bei Überschreitung eines Schwellwerts einzuschalten.

2) Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Invertierung des Wechselspannungsanteils ein Umkehrglied, vorzugsweise ein Umkehrverstärker, vorgesehen ist.

3) Gleichstrommotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Invertierung des Wechselspannungsanteils dieser um einen zum ursprünglichen Gleichspannungsanteil entgegengesetzten Pegel verschoben einem zum Eingang des ebenfalls in der gleichen Richtung um einen Pegel verschobenen Gleichstromanteils inversen Eingang eines Operationsverstärkers (87) zugeführt wird.

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4) Gleichstrommotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erreichen eines weichen Ein- und Ausschaltens der die Ströme in den Stranghälften steuernden Halbleiterschalter (63, 64) dem Operationsverstärker (87) eine Gegenkopplung zugeordnet ist.

5) Gleichstrommotor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auftrennung in Gleich- und Wechselspannungsanteil eine Frequenzweiche, (107) vorgesehen ist.

6) Gleichstrommotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, ^; daß die Frequenzweiche (107) aus mindestens einem-Widerstand und Kondensatoren aufgebaut ist.

7) Gleichstrommotor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Pegelverschiebung e.in Konstantspannungsgi ied nach Art- einer-Zenerdiode vorgesehen ist.

8) Gleichstrommotor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Pegel verschiebung der Spannungsabfall eines eingeprägten Stromes an einem Widerstand verwendet wird. (Fig. 8).

9) Gleichstrommotor nach mindestens einem der Vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Stranghälften (27, 28) bifilar gewickelt sind.

10) Gleichstrommotor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltglieder zum Abnehmen der in der jeweils stromlosen Stranghälfte induzierten Spannungen als Mehrphasen-Einweggleichrichter (68, 69) ausgebildet sind.

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