DE2305163A1

DE2305163A1 - Buerstenloser gleichstrommotor

Info

Publication number: DE2305163A1
Application number: DE2305163A
Authority: DE
Inventors: Kinzi Tanikoshi
Original assignee: Canon Inc; Canon Precision Inc
Current assignee: Canon Inc; Canon Precision Inc
Priority date: 1972-02-03
Filing date: 1973-02-02
Publication date: 1973-08-16
Also published as: US3898544A; JPS4881012A; GB1419544A

Description

Canon K.K. Canon Case 340

Tokyo/Japan

Bürstenlocer Gleichstrommotor

Die Erfindung bezieht sich auf einen bürstenlosen Gleichstrommotor, der einen Rotor mit Magnetpolen-von entgegengesetzter Polarität, einen Stator mit Wicklungen zur Fluß- und Drehmomenterzeugung, ein Paar Signalgeneratoren in flußabtastender Lage zu den Magnetpolen und eine Antriebsschaltung zur wahlweisen Anlage von Gleichstrom an die Statorwicklungen aufweist.

Bei anem bekannten bürstenlosen Gleichstrommotor wird die Drehlage eines aus einem Permanentmagneten besteh^vien Rotors mit Hilfe von Hall-Effekt-Elementen oder Feldfeststellungselementen, z.B. Induktionsspulen, festgestellt und die Erregung der Statorwicklungen wird von einem Ausgangssignal der Feststellungselemente gesteuert. Bei dem bekannten bürstenlosen Motor sind eine Anzahl von Erregerspulen an der Peripherie rund um den Rotor angeordnet. Um die Drehlage eines zweipoligen Rotors festzustellen, wird gewöhnlich ein System benutzt, bei welchem Hallgeneratoren an der Peripherie des Rotors und in einer um 90° gedrehten Lage angeordnet sind, wobei der magnetische Fluß festgestellt wird, der mit jeder Drehphase von 90° des Rotors sich ändert. Das entsprechend der festgestellten Änderung gebildete Ausgangssignal wird elektrisch, z.B. durch Verstärkung verarbeitet und es wird ein Strom an mindestens vier den Rotor antreibende Spulen angelegt, öi.e um dessen Rand herum angeordnet sind, wie es der Phasenänderung von

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90° entspricht. Mit anderen Worten, beim Stand der Technik ist es notwendig gewesen, mindestens vier Spulen zum Antrieb des Rotors unabhängig voneinander anzuordnen. Da jedoch meistens mehr als vier Spulen verwendet werden, in die der Antriebsstrom nacheinander geschickt wird, ist die Ausnutzungsrate dieser Spulen im Vergleich zu Einern konventionellen Gleichstrommotor niedrig. Bezüglich des bekannten Gleichstrombürstenmotors wird auf die Zeitschrift "ATM", Seiten 79-82 vom April 1968 hingewiesen, ferner auf US-PS 3 191 081 bezüglich der Wicklungsausbildung der Spulen und auf US-PS 3 51? 289 bezüglich der Verwendung der Hallgeneratoren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen bürstenlosen Gleichstrommotr der eingangs angegebenen Art so auszubilden, daß lediglich zwei Erregerspulen zur Erzeugung eines genügend starken Drehmomentes auf den Rotor benötigt werden, was zu einem hohen Ausnutzungsgrad der Spulen und der Antriebsschaltung sowie zu einer vereinfachten Konstruktion des Motors führt.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Stator ein einziges Paar von Erregerwicklungen aufweist, die elektrisch um 90° relativ zu den Rotorpolen angeordnet sind, daß die Antriebs schaltung ein einziges Paar von Treiberschaltungen entsprechend der Anzahl der Wicklungen aufweist, wobei jede der Treiberschaltungen symmetrisch geschaltete Halbleiterelemente aufweist, daß die Signalgeneratoren mit den Eingangsanschlüssen von jeweiligen Treiberschaltungen verbunden sind, daß die Wicklungen mit den

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Ausgangsanschlüssen der Treiberschaltungen verbunden sind und daß die Treiberschaltungen so gesteuert werden, dai3 e.in iJtrom wahlweise in die jeweilige Wicklungen in entgegengesetzter Richtung-zur ursprünglichen Richtung geschickt wird, nachdem der Rotor etwa eine halbe Umdrehung vollendet hat, um die Drehung des Rotors in der gleichen Richtung fortzuführen.

Der bürstenlose Gleichstrommotor weist demnach einen Rotor aus einem Permanentmagneten, eine Feldwicklung zur Erzeugung des Drehmomentes und Hallgerieratoren zur Feststellung der Drehlage des Rotors auf. 2wöi Hallgeneratoren sind am Rand des Rotors im Uinkelabstand von 90° angeordnet. Es sind

zwei Feldspulen vorgesehen und parallel zur Betriebsspannung geschäLtet. Um ein fortlaufendes Drehmoment mit den jeweiligen Spulen zu erzeugen, ist eine Antriebsschaltung vorgesehen, die einen Erregerstrom in wechselnden Richtungen durch die gleiche Spule schickt, deren Phasen um 180° zueinander verschoben sind. Die Antriebsschaltung dient zur Steuerung der Richtung des durch die Spule fließenden Stromes aufgrund eines Ausgangssignals der Hallgeneratoren. Um die Drehgeschwindigkeit des Rotors konstant zu machen, ist eine Einrichtung zur Feststellung der Anzahl der Umdrehungen des Rotors und eine Geschwindigkeitssteuereinrichtung vorgesehen, die ein Signal für konstante Geschwindigkeit erzeugt, wobei die Steuerung durch Vergleich des Ausgangssignals der Feststellungsschaltung mit einem Bezugssignal durchgeführt wird.

V/eitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und werden in der nun folgenden Beschreibung

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anhand der Zeichnung erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Antriebsschaltung und einer Geschwindigkeitssteuereinrichtuhg für einen bürstenlosen Gleichstrommotor,

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Motor mit Rotor, Feldwicklungen und einer Feststellungseinrichtung für die Drehlage des Rotors,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht von Feldwicklungen und der zugeordneten^ Schalteinrichtung für den in Fig. 2 dargestellten bürstenlosen Motor,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines bürstenlosen Gleichstrommotors nach Fig. 2 und 3, jedoch mit einem hinzugefügten Tachogenerator,

Fig. 5A bis 5D erläuternde Skizzen für eine vollständige Umdrehung des Rotors und die dabei auftretenden Stromrichtungen;

Fig. 6a ein Diagramm, bei dem auf der Abszisse der Drehwinkel des Rotors und auf der Ordinate das Ausgangssignal des Hallgenerators, der an die Feldwicklungen angelegte Strom und die Drehmomentverteilung des Rotors aufgetragen sind;

Fig. 6b ein Diagramm mit den magnetischen Polen des Rotors als Abszisse und dem Ausgangssignal der Hallgeneratoren als Ordinate; und

Fig. 7 eine Schaltung einer modifizierten Antriebsschaltung und Geschwindigkeitssteuereinrichtung des bürstenlosen Motors nach Fig. 1.

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In Fig, 1 ist eine Schaltung eines bürctenlosen Gleichstrommotors mit Magnetfeldumwandlungselementen, z.B. HmII-generatoren, als Feststellungseinrichtung für die Drehlage eines Permanentmagnetrotors dargestellt. Die Fig. 1 ist in Teile A, B und C unter Verwendung von strichpunktierten Linien unterteilt, wobei der Teil A den Hauptteil eines Motors einschließlich eines Rotors R, Statorwicklungen L-, und Lp und Hallgeneratoren H-. und Hp zeigt. Die Antriebsschaltung D dient zur Feststellung der Drehlage des Rotors und zur Steuerung des Erregerstromes für die Wicklungen. Der Teil C ist die Geschwindigkeitssteuereinrichtung. Der Permanentmagnetrotor R weist zwei Pole N, S auf, und die Hallgeneratoren H1 und H2 sind an der Peripherie des Rotors :t.n Winkelabstand von 90° zueinander angeordnet. Die beiden Wicklungen L-, und Lp besitzen ein in axialer Richtung verlaufendes Teilstück zur Erzeugung eines effektiven Drehmomentes auf den Rotor R und schneiden sich unter einem rechten Winkel, so daß das Drehmoment erzeugende Teilstück an der Peripherie des Rotors in einem Winkelabstand von 90° angeordnet ist bzw. sind. Die Anschlußpaare der Wicklungen L-,, Lp sind mit X und Y bezeichnet und führen zu der Antriebsschaltung. Die Anschlüsse der Hallgeneratoren und deren Verdrahtung in Teil A sind aus Darstellungsgründen fortgelassen, werden aber im Zusammenhang mit der Antriebsschaltung besprochen.

Die Antriebsschaltung, der Teil B, zeigt zwei brückenartig ausgebildete Treiberschaltungen, die Halbleiterelemente an entgegengesetzten Seiten zur Verarbeitung der Ausgangssignale der beiden Hallgeneratoren aufweisen, "jeder der

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beiden Treiberschaltungen besitzt PNP Transistoren 1, j5,

9 und 11 auf der einen Seite und NPN Transistoren 2, 4,

10 und 12 auf der anderen Seite-. Die Kollektoranschlüsse der Transistoren 1 und 2 beziehungsweise 3 und 4 bzw.

9 und 10 sowie 10 und 12 sind,jeweils über Dioden'5, 6, 13 und 14 miteinander verbunden, die eine Stromrichtung bestimmen. In der Antriebsschaltung sind die .Hallgeneratoren IL· und H₂ mit den Bezugszeichen 7 und 15 versehen, wobei der Hallgenerator H₁ oder 7 Ausgangsanschlüsse c und d aufweist, die mit den Basisanschlüssen der Transistoren oder 4 über Widerstände R^ bzw. FU verbunden sind. In ähnlicher V/eise sind die Ausgangsanschlüsse a und b des anderen Hallgenerators H₂ bzw. 15 mit den Ba sisan, Schluss en der Transistoren 10 und 12 über Wider stände FU bzw. R^ verbunden. Gleichermaßen sind die Kollektoranschlüsse der Transistoren

10 und 12 mit den Basisanschlüssen der jeweiligen Transistoren 11 und 9 über Widerstände R~ bzw. Rq verbunden. Der eine Anschluß des Anschlußpaares X der Erregerwicklung L₁ ist mit dem Kollektor des. Transistors 1 und der andere Anschluß mit dem Kollektor des Transistors 3 verbunden. In ähnlicher V/eise sind die Anschlüsse Y der Erregerspule Lp mit den Kollektoren der Transistoren 9 und 11 verbunden, die eine weitere Treiberschaltung bilden. Die einen Eingangsanschlüsse e und g der Hallgeneratoren 7 und 15 sind über Widerstände Rq und R₁Q mit Schalterkreisen 8 und 16 zu Geschwindigkeitssteuerzwecken verbunden und werden durch die bekannte S chmjät schaltung gebildet, die bei einem konstanten Pegel einschaltet undtei einem niedrigeren Pegel ausschaltet.

Diese Schaltungen sind mit der Plusklemme einer Betriebs-

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spannung 18 über einen Steuertransistor 22 und einen Leistungsschalter 17 verbunden, die später beschrieben werden. Die anderen Eingangsanschlüsse f und h der Hallgeneratoren 7 und 15 sind mit der Minusklemme der Betriebsspanhungsklerame 18 über Widerstände R,... bzw. R^₂ verbunden.

Die Geschwindigkeitssteuereinrichtung C weist eine Mischschaltung 30, eine mit dieser verbundenen Vergleichsschaltung 19 und eine Bezugssignal-Schaltung 20 zur Erzeugung eines Bezugssignals konstanter Periode, ferner eineu Verstärker 21 zur Verstärkung des Ausgangssignals der Vergleichsschaltung, den bereits erwähnten Steuertransistor 22 sowie eine Betriebsspannungsquelle 31 zur Stromversorgung des Teils C. Die Mischschaltung 30 ist mit einer Spule L·, zur Bildung eines Tachogenerators verbunden, wobei die Spule L-* die Spulen L^ und Lp diagonal kreuzt.

Der Hauptteil A des Motors wird nunmehr im einzelnen unter Bezugnahme auf die Figuren 2, 3 und 4 beschrieben. Der Rotor ist zusammen mit einer Welle sh drehbar gelagert und die bereits erwähnten Wicklungen L^ und L₂ sind um die Peripherie des Rotors R gewunden. In Fig. 3 sind die Widiungen L^ und L₂ perspektivisch herausgezeichnet, so daß die Ausbildung genau ersichtlich ist. Beim flüchtigen Hinsehen meint man vier einzelne Wicklungen zu sehen, diese sind jedoch paarweise miteinander verbunden, und zwar die Wicklungsteile L_1a und I₁^ sowie L_2a und L₂^. Das effektive Drehmoment wird in den jeweilig geraden Teilstücken parallel zur Rotorwelle sh gebildet. Die Drehmoment erzeugenden Teilstücke

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. G., der Wicklung L. liegen symmetrisch zur Welle sh, ebenfalls die Drehmoment erzeugenden Teilstücke G₂ der Spule L₂, v/obei die Teilstücke G₁ und Gp zueinander einen Winkelabstand von 90°, bezogen auf die Drehachse, einnehmen. Die Aufteilung der Spulen L₁ und L₂ in jeweils zwei Sätze von einzelnen Spulen L₁ und L₁^ sowie L_2a und L₂^ erfolgt mit Rücksicht auf Masseausgleich. Es ist aber auch möglich, nur die Teilwicklung L₁ und L₂ zu benutzen. Wenn als Wicklung L₁ eine Wicklungseinheit aus L und L^-, und als Widiung L₉ die Teil-"

_1a id d.

wicklungen Lp und Lp-. benutzt werden, sind jeweils Verbindungsdrähte la, Ib vorgesehen. Eine weitere Verbindungseinrichtung Co wird später beschrieben.

Fig. 4 ist eine perspektivische Darstellung einer vereinfachten Ausführungsform der V/icklungen L₁ und L₂ sowie die diagonal über diese geführte Wicklung L, des Tachogenerators für die Geschwindigkeitssteuerung.

DerLauf des bürstenlosen Gleichstrommotors wird nunmehr unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 5 beschrieben. Es sei angenommen, daß der Nordpol des Rotors R gegenüber dem Hallgenerator H₂ liegt, wie es die Fig. 1, 2 und 5A zeigen. Der vom Nord- zum Südpol gerichtete Fluß wird dann vom Hallgenerator H₁ festgestellt und es wird eine Hallspannung gemäß Fig. 6B mit Bezug auf die Magnetpole an den Ausgangsklemmen a und b. des Hallgenerators 15 bzw. H₂ in Fig. 1 erzeugt. Die Spannung Va an der Klemme a ist größer als die Spannung Vb an der Klemme b. Die Hallspannung der Klemme a wird an die Basis des Transistors 1G angelegt, so daß dieser leitend wird, sobald die Spannung den Schwellenwert überschreitet. Infolge

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dessen sinkt das Kollektorpotential und das Basispotential des Transistors 11 erniedrigt sich, so daß auch dieser leitend wird. Es sei ferner angenommen, daß zu dieser Zeit der Leistungsschaltung 17 geschlossen ist und der Steuertransistor 22 eingeschaltet ist. Unter diesen Voraussetzungen fließt ein Strom von der Plusklemme der Betriebsspannung 18 über den Schalter 17, den Transistor 22, den Transistor 21, die Spule L₂, die Diode 13, den Transistor 10 zurück zur Minusklemme der Betriebsspannungsquelle 18. Dieser durch die Wicklung L₂ fließende Strom ist durchEfeile angedeutet, ebenfalls das durch den Strom erzeugte Drehmoment.

Wenn danach der Südpol in eine Lage gegenüber dem Hallgenerator IL· zu liegen kommt, werden Spannungen gemäß "Vc großer Vd in den Ausgangsklemmen c und d des Hallgenerators 7 bzw. H^ erzeugt. Wenn die Ausgangsspannung Vd an der Klemme g den Schwellenwert des Transistors 4 übersteigt, wird dieser eingeschaltet und auch der Transistor 1 wird dadurch leitend. Es fließt deshalb ein Strom von der Plusklemme der Betriebsspannungsquelle 18 über den Schalter 17, den Transistor 22, den Transistor 1, die Wicklung L-, die Diode 6, den Transistor 4 zurück zum Minuspol. Dieser Strom ist ebenfalls durch Pfeile angedeutet und das erzeugte Drehmoment entspricht in seiner Richtung dem zuvor erzeugten Drehmoment, wie sich aus Fig. 5B ergibt.

Wenn danach der Südpol des Rotors R in eine Lage gegenüber dem Hallgenerator H₂ kommt, werden Spannungen Va größer Vb an den Ausgangsklemmen a und b des Hallgenerators 15 bzw. H₂ erzeugt, so daß der Transistor 12 und der Transistor 9

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nacheinander eingeschaltet werden und ein Strom in entgegengesetzter Richtung zu dem zuvor beschriebenen und durch Pfeile markierten Strom fließt. Hierdurch gelingt es, ein Drehmoment zu erzeugen, das in der gleichen Richtung liegt, wie zuvor, s. Fig. 5C

Wenn danach der Nordpol des Rotors dem Hallgenerator H₁ gegenüberzuliegen kommt, werden Ausgangsspannungen Vc größer Vd an den Ausgangsklemmen c und d des Hallgenerators 7 bzw. H₁ erzeugt, so daß die Transistoren 2 und 3 nacheinander leitend werden und ein Strom in entgegengesetzter Richtung . zu dem zuvor beschriebenen fließt. Die Spule L₁ wird deshalb entgegen der eingezeichneten Pfeilrichtung durchflossen und

das erzeugte Drehmoment liegt wieder in gleicher Richtung, wie auch aus Fig. 5D ersichtlich. Der Rotor wird deshalb in die ursprüngliche Lage nach Fig. 5A gedreht, so daß sich das Spiel wiederholen kann.

Die zuvor beschriebene stückweise Drehung um 90 des Rotors ist in Wirklichkeit eine kontinuierliche Drehung, wie auch unter Bezugnahme auf Fig. 6A ersichtlich ist. Die Ausgangsspannungen Vd und Va an den Klemmen d und a der Hallgeneratoren H₁ und Hp sind um 90° außer Phase zueinander. Dies führt zu einem Stromfluß in den Wicklungen L₁ und Lp, die ebenfalls um 90° außer Phase sind. Da dieser Antriebsstrom seine Richtung jeweils bei 180° Drehung des Rotors umkehrt, ist der Strom in umgekehrter Richtung auf der negativen Seite des Diagramms gezeichnet. Das von dem Treiberstrom erzeugte Drehmoment dreht den Permanentmagnetrotor R in der gleichen Richtung. 309833/0861

Zur Durchführung der Geschwindigkeitssteuerung des Motors werden der Komparatorschaltung 17 zwei Eingangswerte zugeführt, nämlich einen der Anzahl der Umdrehungen des Rotors entsprechenden Wert und ein von einer Bezugssignalquelle 20 stammendes Bezugssignal. Als Ausgang der Vergleicherschaltung 19 wird ein Signal entsprechend der Abweichung der bestehenden Drehgeschwindigkeit des Rotors von der Bezugsgeschwindigkeit erhalten, dieses Signal wird durch den Verstärker 21 verstärkt und an die Basis des Steuertransistors 22 gelegt. Der Transistor 22 liegt in Serie zwischen der Betriebsspannungsquelle 18 und der Treiberschaltung, so daß die zwischen Emitter und Kollektor des Transistors 22 liegende Spannung durch den Pegel des an der Basis anliegenden Signals gesteuert wird. Die so gesteuerte Spannung kann als Betriebsspannungsquelle für die Treiberschaltung angesehen werden. Daherwird die treibende elektrische Kraft des Motors so gesteuert, daß der Rotor sich mit konstanter Geschwindigkeit entsprechend dem Bezugssignal dreht.

Zur Feststellung der Anzahl der Umdrehungen des Rotors wird ein Ausgangssignal in Abhängigkeit von der Anzahl der Rotorumdrehungen unter Benutzung des Tachogenerators als Eingang der Komparatorschaltung 19 unter Vermittlung der Mischschaltung 30 benutzt. Es besteht auch die Möglichkeit, ohne Tachogenerator ,auszukommen, wenn die Wellenformen der in den Spulen L^ und L₂ fließenden Ströme bzw. die induzierten Spannungen benutzt v/erden. Nach diesem Verfahren fließt der treibende Strom alternativ in den Wicklungen L^ und L₂, während sich der Motor dreht, so daß dieser Strom zur Zählung der

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Drehungen benutzt werden kann. Es existiert noch eine weitere Methode, nämlich die Feststellung der Zeit, zu der kein Strom in den Wicklungen L₁ und L₂ fließt. Hierbei wird eine induzierte Spannung in diesen Wicklungen als Eingangssignal für die Komparatorschaltung benutzt.

Zweckmäßigerweise wird ein Impulssignal an den Transistor 22 angelegt und die Geschwindigkeitssteuerung kann durch Änderung des Phasenwinkels dieses Impulses durchgeführt werden. Es ist auch möglich, daß eine an die Hallgeneratoren 7 oder 15 angelegte Spannung durch die Anlage eines Abweichungssignals von der Komparatorschaltung 19 gesteuert wird, ohne Verwendung des Steuertransistors 22, wobei dann die Schalterkreise 8 oder 16 in Serie zu den Hallgeneratoren angesteuert werden, was ebenfalls zu einer Steuerung des Treiberstromes durch die Wicklungen L₁ und L₂ führt, Bl hierbei kein Transistor 22 hoher Leistung erforderlich ist, ist diese Maßnahme insofern vorteilhaft.

Es wird nunmehr auf Fig. 7 Bezug genommen, die eine modifizierte Ausführungsform der Antriebsschaltung und der Steuerschaltung 2B.gt. Die den Elementen nach Fig. 1 entsprechende Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen worden. Die Ähnlichkeit bezieht sich auch darauf, daß zwei Sätze von Treiberschaltungen symmetrisch angeordnet sind und nur eine Betriebsspannungsquelle benutzt wird. Der Motor besteht wiederum aus den beiden Hallelementen 7 bzw. H₁ und 15 bzw. H₂', dem Stator mit den beiden Feldwicklungen L₁ und L₂ und dem Permanentmagnet-Rotor. Widerstände 51, 65, 71 und 85 sind Lastwiderstände für Transistoren 53, 67, 73 und 87 in

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der ersten Stufe und Dioden 5, 6, 13 und 14 sind zwischen den Kollektoren der Transistoren und den Widerständen geschaltet. Eine Gruppe von Transistoren 54, 55, 63 und 64 sowie eine Gruppe von Transistoren 74, 75, 83 und 84 liegen in einer Erregerstufe, v/elche die jeweiligen -komplementären Verstärkerschaltungen bilden. Die Ausgangsstufen werden durch Transistoren 56, 57, 61 und 62 sowie durch eine weitere Gruppe von Transistoren 76, 77, 81 und 82 gebildet. Ein Widerstand 52 dient als Strombegrenzungswiderstand und ist zwischen dem gemeinsamen Punkt der Emitter der Transistoren 54 und 55 und dem gemeinsamen Punkt der Emitter der Transistoren 63 und 64 geschaltet. Ein ähnlicher Strombegrenzungswiderstand 72 liegt zwischen den gemeinsamen Punkten der Transistoren 74 und 75 bzw. 83 und 84. Die Transitoren 53 und 67 weisen einen gemeinsamen Emitterwiderstand 100 und die Transistoren 73 und 87 einen Emitterwiderstand 101 auf. Ein Leiter I^ ist mit dem Pluspol der Betriebsspannungsquelle 18 und eine Leitung l_e~ ist mit dem Minuspol dieser Spannungsquelle verbunden.

Der Tachogenerator 99 weist, wie bereits erwähnt, zu den Wicklungen L^ und L« diagonal angeordnete Wicklungen auf, und dreht sich mit dem Rotor, um ein Signal in Abhängigkeit von der Anzahl der Umdrehungen zu erzeugen. Die Emitter der Transi&oren 97 und 98 sind miteinander und mit einem Widerstand 95 verbunden. Die Basis des Transistors 98 ist mit dem Tachogenerator 99 über einen variablen Widerstand 91 verbunden. Der Kollektor eines Transistors 103 ist mit den Eingangsanschlüssen e und g des Hallgenerators H-, u. d Hp über einen variablen Widerstand 90 verbunden. Ein Widerstand 92

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ist mit dem Emitter des Steuertransistors 103 verbunden. Der Widerstand 93 ist mit dem Kollektor des Transistors 90 verbunden. Eine Zenerdiode 96 und ein Widerstand 94 liegen in Serie zu der Betriebsspannungsquelle 18. Diese Elemente 91 nJ:s 99 und 103 bilden eine Geschwindigkeitssteuerschaltung für den Motor. Insbesondere bilden die Transistoren 97 und 98 einen Komparator vom Differentialtyp.

Im ITachfolgenden wird die Wirkungsweise der besprochenen Ausführungsform beschrieben. Die Schaltoperation der Treibströme in den Wicklungen L^ und L₂, verursacht von den Hallelementen ist ähnlich zu der Ausführungsform nach Fig. 1, so daß man sich kurz halten kann. Es sei angenommen, daß der Hallgenerator Hp gegenüber dem Nordpol liegt, und Ausgangsspannungen gemäß Va größer Vd erzeugt werden. Diese Spannungen bringen den Transistor 87 der ersten Stufe in den Leitzustand, so daß der andere Transistor 73 ausgeschaltet bleibt. Dabei werden die Transistoren 84, 82, 76 und 74 der Erregungs- und Ausgangsstufe eingeschaltet und bilden einen Stromkreis, der von der Plusklemme der Betriebsspannung 18 über den Leistungsschalter 17, die Leitung I₁, den Transistor 76, die Wicklung L₂, den Transistor 82, die Leitung I₂ ^zum Minuspol führt. Infolgedessen fließt ein Treibstrom durch die Wicklung L₂ in der durch Pfeile angedeuteten Richtung, so daß der Rotor in einer normalen Richtung gedreht wird. Wenn danach der Südpol des Rotors in eine Lage gegenüber dem Hallgenerator H,. kommt, werden Ausgangs spannungen gemäß Vc größer Vd an den Ausgangsanschlüssen c und d des Hallgenerators H^ erzeugt und der Transistor 67 wird eingeschaltet, so daß die Transistoren 64, 62, 56 und 54 der

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Erregungs- und Ausgangsstufe eingeschaltet werden. Dabei wird ein Stromkreis gebildet, der von der Plusklemme der Betriebsspannungsquelle 18 über den Schalter 17,die Leitung l_e1> den Transistor 56, die Wicklung L^, den Transüor 62, die Leitung I₂ zum Minuspol der Betriebsspannungsquelle führt. Hierbei fließt ein Strom durch die Wicklung L^ in der durch den Pfeil angedeuteten Richtung und verursacht die weitere Drehung des Rotors in der normalen Richtung. Wenn dann der Südpol des Rotors in eine Lage gegenüber dem Hallgenerator H₂ kommt, werden Ausgangsspannungen gemäß Va kleiner Vb an den Ausgangsanschlüssen a und b des Hallgenerators H₂ erzeugt und der Transistor 73 wird eingeschaltet, so daß die Transistoren 75, 77, 81 und 83 eingeschaltet werden. Es fließt deshalb

in der Wicklung L₂ ein Strom in entgegengesetzter Richtung zu der eingezeichneten Pfeilrichtung und verursacht die weitere Drehung des Rotors in der normalen Richtung. Wenn dann der Nordpol des Rotors in eine Lage gegenüber dem Hallgenerator H.. kommt, werden Ausgangs spannungen gemäß Vc größer Vd an den Ausgangsklemmen c und d des Hallgenerators H^ erzeugt und der Transistor 53 wird eingeschaltet, so daß die Transistoren 55, 57, 61 und 63 eingeschaltet werden und ein Strom in der Spule L^ in e*ner Richtung entgegengesetzt zu der eingezeichneten Pfeilrichtung fließt, so daß der Rotor weiter in seiner normalen Richtung sich dreht. Das Spiel wiederholt sich und der Rotor wird ständig angetrieben.

Bei dieser Drehung des Rotors erzeugt der Tachogenerator 99 ein Ausgangssignal, welches der Drehgeschwindigkeit des Rotors entspricht. Die Ausgangsspannung wird in geeigneter Weise durch einen variablen Widerstand 91 aufgeteilt und

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dem Transistor 98 zugeführt, um an dessen Ausgang ein Ausgangssignal zu erzeugen. Der in dem Widerstand 95 fließende Strom ist konstant. Wenn die Potentialdifferenz zwischen der Basis des Transistors 98 unter der Leitung I₁ mit der Anzahl der Umdrehungen des Tachogenerators zunimmt, nimmt der durch den Transistor 98 fließende Strom zu und das Potential des Kollektors wird mit Bezug auf das Potential der Leitung Ip angehoben. Daher nimmt der Basissfcrom des Transistors 103 ab und der Kollektorstrom verringert sich und infolge dessen der Pegel des Eingangsstromes der Hallgeneratoren H₁ und Hp. Deshalb nehmen auch die Ausgangsspannungen der Hallgeneratoren H₁ und Hp ab, was zu einer Verringerung des Stromdurchflußes durch die Wicklungen L₁ und Lp führt. In:21gedessen nimmt auch das am Rotor erzeugte Drehmoment ab. Die Zenerdiode 96 stellt eine Bezugsspannung bereit, so daß der Motor bei konstanter Geschwindigkeit dreht.

Mit Bezug auf die Verbindung der Wicklungseinheiten nach Fig. 3 ist die Verbindung so beschrieben worden, daß die Spülen L_1a und L^ in Serie liegen, ebenfalls die Spulen L_2a und Lp-, . Diese Art der Verbindung kann jedoch mittels der Schalteinrichtung Co in eine Verbindung umgewandelt werden, so daß die entsprechenden Spulen in Serie zueinander liegen und eine Verbindung in der Form der Spulen L₁-^L2a - ^L1b * ^L2b ^bilden·

Bei dem bürstenlosen Gleichstrommotor nach der Erfindung werden lediglich zwei unabhängige Wicklungen benutzt, wobei

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die Antriebsschaltung speziell ausgebildet ist, so daß ein Strom in entgegengesetzter Richtung an diese beiden Spulen entsprechend der Drehlage des Rotors angelegt werden. Hierdurch wird ein doppelter Ausnutzungsgrad erzielt, verglichen mit der bekannten Konstruktion mit vier Wicklungen. Ferner kann der Erfindungsgedanke auf Mikromotoren angewendet werden, bei denen bekanntlich ein beschränkter Wicklungsraum vorhanden ist. Im Hinblick auf die positioneile Beziehung zwischen den Magnetfluß-Umwandlungselementen, z.B. Hallgeneratoren und dem Permanentmapet-Rotor wird ein Signal entsprechend der Drehlage des Rotors mittels der Magnetfluß-Umwandlungselemente erzeugt und das Signal wird elektrisch durch die Treiberschaltung behandelt, so daß Ströme in genau der umgekehrten Phase alternativ an die beiden Spülen angelegt werden.

Das erzeugte Drehmoment kann mittels Einrichtungen verändert werden, welche die Art der Verbildung mit den beiden Spulen beeinflussen. Ferner ist eine Geschwindigkeitssteuereinrichtung vorgesehen, die zur Steuerung der elektrischen Leistung dient, welche an die Treiberschaltung angelegt wird, indem ein Ausgangssignal des Tachogenerators, ein Strom in der Spule oder eine induzierte Spannung ausgenutzt werden, die zu der Zeit erzeugt wird, wenn ein Treibstrom nicht durch die Spule fließt.

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Claims

Patentansprüche

/ 1./Bürstenloser Gleichstrommotor, der einen Rotor mit. Magnetpolen von entgegengesetzter Polarität, einen Stator mit Wicklungen zur Fluß- und Drehmomenterzeugung, ein Paar Signalgeneratoren in flußabtastender Lage zu den Magnetpolen und eine Antriebsschaltung zur wahlweisen Anlage von Gleichstrom an die Statorwicklungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator ein einziges Paar von Erregerwicklungen (L,., Lp) aufweist, die elektrisch um 90 relativ zueinander angeordnet sind, daß die Antriebsschaltung ein einzelnes Paar von Treiberschaltungen entsprechend der Anzahl der Wicklungen aufweist, wobei jede der Treiberschaltung symmetrisch geschaltete Halbleiterelemente (1, 2, 3, 4, 9, 10, 11, 1-2; 53 - 57, 61 - 64, 67, 73 - 77, 81 - 84, 87) aufweist, daß die Signalgeneratoren (7 bzw. H₁., 15 bzw. Ho) mit den Eingangsanschlüssen der jeweiligen Treiberschaltungen verbunden sind, daß die Wicklungen mit den Ausgangsanschlüssen der Treiberschaltungen verbunden sind und daß die Treiberschaltungen so steuerbar sind, daß ein Strom wahlweise in die jeweilige Wicklungen in entgegengesetzter Richtung zur ursprünglichen Richtung geschickt wird, nachdem der Rotor (R) etwa eine halbe Umdrehung vollendet hat, um die Drehung des Rotors in der gleichen Richtung fortzuführen.
2. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Steuereinrichtungen (L,, 30, 19, 20, 21, 22, 31; 99, 91, 96, 97, 98 und 103) zur Aufrechterhaltung einer bestimm-

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ten Drehgeschv/indigkeit des Rotors dienen, welche die Anzahl der Umdrehungen des Rotors feststellen, mit einem Bezugasignal vergleichen und die Antriebsschaltung in Abhängigkeit von dem differenzierten Aüsgangssignal betätigen.
3. Gleichstrommotor nach Anspruch 1. oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Feststellung der Anzahl der Drehungen des Rotors, geeignete Einrichtungen (L,; L₁, L₂; 99) vorgesehen sind, daß eine Einrichtung (20, 96) ein Bezugssignal entsprechend der erforderlichen Drehgeschwindigkeit erzeugt, daß eine Einrichtung (19, 97, 98) mit beiden vorgenannten Einrichtungen verbunden ist und deren Eingangssignale miteinander vergleicht und hieraus ein differenziertes Ausgangssignal erzeugt und daß eine Einrichtung(21, 22, 103) das Ausgangssignal von dem Komparator empfängt und die Speisespannung der Antriebsschaltung entsprechend steuert.
4. Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalgenerator ein Paar von Halleffektgeneratoren (H^, Hp) aufweist, die in fester Beziehung zu dem Stator angeordnet sind, mit einer elektrischen Verschiebung relativ zu dem Rotor, so daß die Größe des Motorflusses als Funktion der Rotorwinkellage abgetastet wird.
5. Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsschaltung ein Paar von Erregerstufen mit Transistoren (2, 4, 10, 12; 53, 67, 73, 87) aufweist, die mit den jeweiligen Ausgangsanschlüssen der Signalgeneratoren verbunden sind, ferner ein Paar von Aus-

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gangsstufen mit Transistoren (1, 3, 9, 11; 5^» 57, 61, 62, 76, 77, 81, 82), die mit den Wicklungen verbunden sind, wobei die Transistoren der Erregerstufe selektiv in Abhängigkeit von den Signalgeneratoren einen Transistor leitend schalten*
6. Gleichstrommotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungssteuereinrichtung ferner einen Steuertransistor (22) in Serie zu der Treiberschaltung und der Betriebsspannungsquelle aufweist, wobei dieser Transistor die an die Treiberschaltung angelegte Spannung steuert.
7. Gleichstrommotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungssteuereinrichtung ferner einen Stromsteuertransistor (103) zur Steuerung des Stromflusses zu den Signalgeneratoren aufweist.

309833/D861

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