DE2410864A1 - Steuersystem fuer einen elektromotor - Google Patents

Description

• Steuersystem für einen Elektromotor Die Erfindung bezieht sich auf rotierende elektrische Maschinen, beispielsweise Elektromotoren, deren Erregerströme konimutierend übertragen werden. Insbesondere bezieht sich die Erfindunq auf ein Steuersystem für einen Elektromotor, dessen gegenüber einem Stator um seine Achse rotierend gelagerter Rotor mit einer Anzahl von im Kreis um die Achse verteilten Magnetpolen von abwechselnd entgegengesetzter Polarität versehen ist, mit einem auf die Rotor-Magnetpolflächen ansprechenden Rotorstellungssensor und mit einer die Stator-Versorgung in Abhangigkeit vom Ausgang des Sensors steuernden Steuereinrichtung.
• Früher wurde das Kommutieren durch Bürstenanordnungen besorgt, die der Abnutzung und der Betriebsverschlechterung unterliegen. Demgegenüber haben kontaktlose Kommutatoreinrichtungen wesentliche Vorteile,und der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte kontaktlose kommutierende Einrichtung zu schaffen.
• Erfindungsgemß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zu dem Sensor ein aus einem magnetisch sättigbaren magnetischen Material bestehendes Kernelement gehört, welches so gestaltet ist, daß in der Nähe der Rotor-Polflächen qelegene Polflächen qebildet werden, und daß dem Kernelement eine magnetische Vorspanneinrichtung zugeordnet ist, welche dessen maqnetischem Material einen vorspannenden Magnetfluß von solcher Größe aufprägt, dafl bei der Drehuna des Rotors um seine Achse und dabei stattfindender Vorbeibewegung der beweglichen gegenüber den stehenden Polflächen das maqnetische Material des Kernelementes gezwungen ist, in den und aus dem Zustand der macnetischen Sättigung zu wechseln.
• Nachfolgend wird die Erfindung in Verbindung mit einer Zeichnunc näher erläutert. Darin zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild für eine Kommutatoreinrichtung für einen Elektromotor; Fig. 2 ein schematisches Schaltbild zum 3etrieb eines Stellungssensors; Fig. 3 eine Schaltung für ein anderes Ausführungsbeispiel eines Stellungssensors; Fig. 4 ein Schaltbild eines anderen Sensors; Fig. 5 eine abgebrochene und teilweise geschnittene Darstellung eines Plattenspieler-Tellers, der mit einem Sensor gemäß Fig. 4 betrieben wird; und Fig. 6 einen Horizontalschnitt durch die Plattenspieleranordnung von Fig. 5.
• In Fig. 1 ist das Grundprinzip des erfindungsgemäßen Steuersystems für einen Elektromotor in Form eines Blockschaltbildes dargestellt. Ein Elektromotor 10 besitzt einen über eine Steuereinrichtung 14 von einer Quelle 13, beispielsweise einer Gleichspannungsquelle erregten Stator 11 und einen Rotor 12. Ein Sensor 15 erzeugt ein Signal als Funktion der Rotorgeschwindigkeit bezw. -Stellung. Dieses Signal wird einem Komparator 16 zuqeführt, der außerdem ein Referenzsignal aus einer Referenzquelle 17 erhält.
• Das entstehende Vergleichsresultat wird der Steuereinrichtung 14 eingegeben, welche die Statorwicklung oder dergleichen so kontrolliert, daß ein gewünschter Geschwindigkeitszustand wie beispielsweise eine konstante Rotordrehzahl erzielt wird.
• Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen derartigen Sensor 15. Ein Element 18 aus einem magnetischen Material ist mit einer Wicklung 19 umgeben. Ein nur schematisch dargestelltes Element 20 steuert den magnetischen Zustand des Elementes 18 in der Weise, daß dessen material, an einem Punkt betrieben wird, der sich nahe dem Knie der B-H-Kurve für dieses Material befindet, d.h. an einem Punkt, der sich in der Nähe des Einsetzens der magnetischen Sättigung befindet. Das Element 20 kann aus einem magnetomotorischen Generator wie beispielsweise einem Permanentmagneten eines Elektromagneten bestehen, der mit oder ohne steuerbare magnetische Shunt-Einrichtung betrieben wird. Die Elemente 18 und 20behalten normalerweise eine konstante relative Lage zueinander ein, in der sie einmal justiert worden sind.
• Zum sensor 15 gehört gemäß Fig. 2 ferner ein bewegliches Element 21, welches sich mit dem Rotor 12 des Motors dreht und im Zuge seiner Bewegung den magnetischen Zustand des Elementes 18 so verändert, daß dessen Material sich über das Knie der B-H-Kurve hinwegbewegt, also in die und aus der magnetischen Sättigung.
• Dieser Wechsel im magnetischen Zustand erzeugt eine markante Änderung der magnetischen Permeabilität des Materials und eine scharfe Änderung in der Induktivität der Wicklung 19. Diese Zustandsänderung kann man auf verschiedene Weise dazu benutzen, ein Ausqangssignal zu erzeugen. Die markante Flußanderuns In der Wickluna 19 erzeugt eine Spannung an Klemmen 22 und 23 dieser Wicklung, die man direkt verwenden kann. Eine andere DIöglichkeit besteht darin, den Klemmen 22 und 23 eine Spannung von einem Wechselstromgenerator 24 über ein Impedanzelement 25 zuzuführen. Ist die Generatorspannung konstant, dann ändert ein Wechsel der Inpedanz der Wicklung 19 den durch diesen Kreis fließenden Strom und damit auch die Spannung in Impedanzelemeht 25.
• Man kann die Wicklung 19nach zur Unterstützung oder als Ersatz für das Element 20 verwenden, welche dem Element 18 eine gewünschte magnetische Vorspannung erteilt. In diesem Falle wird ein vorspannender Wechsel- oder Gleichstrom von einer geeigneten Quelle in die Wicklung eingespeist.
• Das bewegliche Element 21 dann als separates Element am Rotor befestigt sein, jedoch im Falle eines Motors mit einem permanent magnetischen Rotor kann der Rotormagnet in zweckdienlicher Weise die gewünschte Flußänderung im Element 18 erzeugen. Vorteilhafterweise kann man dabei so vorgehen, daß abwechselnd die N- und die S-Pole des Rotors den Fluß im Element 18 beeinflussen, so daß man eine verdoppelte Wechselwirkung erzielt.
• Eine andere Möglichkeit zur Ausnutzung der Fluß änderung im magnetischen Element 18 zur Erzeugung eines Ausgangssignals besteht gemäß Fig. 3 darin, dieses Element 18 mit Wicklungen zu versehen und in eine Oszillator-Schaltung einzubeziehen. Die Veränderungen der Oszillatorbedingen werden dazu benutzt, ein Ausgangssignal zu verändern, wenn das bewegliche Element 21 vorbeikommt.
• In Fig. 3 ist das Element 18 mit zwei Spulen 27 und 23 in Serie bewickelt, und zwar in Form einer angezapften Einzelspule. Diese in Serie geschalteten Spulenabschnitte sind mit einem Kondensator 29 überbrückt, und die spule 27 ist in den Kollektorkreis eines Transistors 30 einbezoqen.
• Ferner besitzt der Transistor 30 einen Basiswiderstand 31 und einen kleinen Kondensator 32 zwischen Kollektor und Basis. Die Spannung am äußeren Ende der Spule 28 wird über einen Widerstand 33der Basis eines zweiten Transistors 34 zuaeführt. Die Ausgangsspannung wird von einem Kollektorwiderstand 35 mit Parallelkondensator 3 abgenommen.
• Durch geeignete Einstellung der Schaltunc und unter Verwendung geeigneter Steuer- und Einstellelemente wie zuvor beschrieben kann man aus dieser Schaltung an einer Klemme 37 Ausqancsimpulse abnehmen, wenn ein magnetisches Element wie beispielsweise ein Dermanentmagnet-Rotor sich in der Nähe des Elementes 18 vorbeibewegt.
• Der dem Transistor 30 zugeordnete Schaltkreis arbeitet normalerweise als Oszillator, und zwar mit einer Frequenz, die im wesentlichen von der Induktivität der Spulen 27 und 28 sowie der Kapazität des Kondensators 29 abhängig ist.
• ndert man mittels eines Elementes, beispielsweise 21, die magnetischen Medinungen im Element 1, dann ndern sich die Schaltungsbedlngungen auf verschiedene Weise.
• Durch eine Änderung der Induktivität in den Spulen 27 und 28 ändert sich die Cszillatorfrecuenz. Die Frequenzänderung hat außerdem eine Änderung des Q-Wertes des abgestimmten Schaltkreises zur Folge, und bei einer bestirtimten Änderung kann der "cain" des schaltkreises unter den ert ceraten, der zur Aufrechterhaltung der Schwingungen notwendig ist. Außerdem reduziert eine Permeabilitätscinderung im Element 12 die gegenseitige Induktivität zwischen den Spulen 27 und 28, was wiederum Einflüsse auf den Schaltkreis-Gain unc die Oszillatorbedinungen hat. Alle diese Faktoren führen zu einer scharen Änderung der Jpannung, die der Basis des Transistors 34 zugeführt wird, und zu einer Änderung der Ausgangsspannung an Klemme 37.
• Die Praxis hat gezeigt, daß man auf diese Weise den Transistor 34 praktisch laufend sperren und öffnen kann, so daß genau definierte Ausganqsimpulse entstehen.
• Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel eines Sensors gemäß Fig. 4 ist ein Element 40, welches dem zuvor besprochenen lement 18 entspricht, mit einer Anzahl von Spulen 41 und 42 bewickelt. In dle Spule 41 wird aus einer geeigneten Quelle 43 eine Wechselssannung eingespeist, und an Klemmen 44 und 45 der anderen Spule 42 nimmt man eine Ausgangsspannung ab. Zur Veränderung der magnetischen Bedingungen im Kernelement 40 dient ein Element 46, wie bereits zuvor beschrieben. Jlenn sich die ma netischen Bedingungen im Kernelement 40 ändern, >'ann ändert sich die Kopplung zwischen den Spulen 41 und 42 sehr markant, und die an den Klemmen 44 und 45 anliegende Spannung zeigt eine scharfe Amplitudenänderung.
• In Fig. 5 und 6 ist der Sensor von Fig. 4 in einen Plattenspieler eingebaut. In einem Lager 52 im Chassis 53 des Plattenspielers ist eine Welle 51 drehbar gelagert, welche einen Plattenteller 50 mit einer nach unten umgelegten umlaufenden Randleiste 55 besitzt; die Innenoberfläche dieser Randleiste 55 ist mit einem Ferrit-Ring 56 belegt, der aus mit Ferrit dotiertem Kunststoffmaterial besteht. Der Ferrit-Ring 56 ist so aufmaqnetisiert, daß abwechselnd Nord- und Südpole über den qesamten Umfang des Plattentellers 50 gebildet werden und der Ferrit-Ring 56 den Rotor eine s Plattenteller-Antriebsmotors bildet.
• Ein Sensor ist mittels Schrauben am Chassis 53 in der Nähe des Ferrit-Ringes 56 befestigt und durch Mittel (siehe Fig. 3) mit einer Steuerschaltung zur Erregung einer Jtatoranordnuno 54 verbunden, um die Umdrehungsgeschwindiqkeit des Plattentellers 50 zu steuern.
• Zum sensor 57 gehört eine magnetische Anordnuna mit einem U-förmigen Kernelement 53 aus magnetischem Material, vorzugsweise einem Ferrit-Material, welches mit einer Erreaerspule 59 bewickelt ist. Eine Abtastspule 60 befindet sich an einem Schenkel des U-förmigen Kernelementes 58, um Impulse einer Frequenz ahzuareifen, welche von der Rotationsqeschwindigkeit des Plattentellers 50 abhäncig sind. Ein magnetischer Shunt in Form eines Stabmagneten 61 efindet sich in einem Abstand von den Enden des TJ-förmigen Kerrelementes 58 und dient zur Steuerung der magnetischen Feldstärke und Feldverteilung im Bereich des Kernelementes. Die Zuordnung des Kernelementes und des Stabmagneten 61 gegenüber dem magnetisierten Berrit-Ring 56 ist so gewählt, daß das Kernelement 58 solang im ungesättigten Zustand verbleibt, bis sich ein Polpaar des Ferrit-Ringes 56 den Polflächen des Kernelementes 58 nähert und auf diese Weise das Kernelement in den Sättigungszustand gelanQtt. Wenn sich das betreffende Pol paar des Ferrit-Ringes 56 wieder aus dem Bereich der Pol flächen des Kernelementes entfernt, geht dieses wieder aus der Sättigung heraus, und es wird ein scharf definierter SpannuncsimDuls in Abtastspule 60 erzeugt.
• Wenn Kernelement, Spulen und Stabmagnet sorgfältig justiert worden sind, werden sie in ein geeignetes Isoliermaterial einaekapselt, um sicherzustellen, daß die korrekten magnetischen Bedingungen erhalten bleiben; es liegen lediglich die Polflächen des Kernelementes 58 frei.
• Die Polflächen des Kernelementes 58 sind so anaeordnet, daß sie um eine Rotorpol-Teilung auseinanderliegen und einen geringen Abstand von der Innenoberfläche des Ferrit-Ringes 56 aufweisen, so daß bei rotierendem Rotor bei jedem Durchgang eines Polpaares am Sensor 57 Impulse erzeugt werden, wie sie zuvor In Verbindung mit Fig. 4 beschrieoen wurden.

Claims (3)

A n s -p r ü c h e

1. Steuersystem für einen Elektromotor, desses gegenüber einem stator um seine Achse rotierend gelagerter Rotor mit einer Anzahl von im Kreis um die Achse verteilten Nagnetpolen von abwechselnd entgegenesetzter Polarität versehen ist, mit einem auf die Rotor-Magnetpolflächen ansprechenden Rotorstellungssesor und mit einer die Stator-Versorgung in Abhängigkeit vom Ausgang des Sensors steuernden Steuereinrichtun~, dadurch aekennzeichnet, daß zu dem Sensor (z.3. 57) ein aus einem magnetisch sätt gbaren magnetischen Material bestehendes Kernelement (5n) gehört, welches so gestaltet ist, daß in der Nähe der Rotor-Polflächen (56) gelegene Polflächen gebildet werden, und daß dem Kernelement eine magnetische Vorspanneinrichtunc (z.3. 59) zugeordnet i:t, welche dessen magnetischem Material einen vorspannenden magnetfluß von solcher Größe aufprägt, daß bei der Drehung des Rotors (50) um seine Achse und dabei stattfindender VorbeiLewegung der beweglichen gegenüber den stenenden Polflächen cas magnetische Material des Kernelementes erzwungen ist, in den und aus dem Zustand der magnetischen ãïttiauns zu wechseln.

2. Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die maanetische Vorspanneinrichtung ein permanensmagnetisches Element (20) ist (Fig. 2).

3. Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Vorspanneinrichtung eine elektromagnetische Einrichtung (z.3. 41, 43) ist (z.B. Fig. 4).

4. Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, ,daß zum Sensor eine auf dem Kernelement (z.B. 40) befindlicht Wicklung (42) gehört (z.B. Fig. 4).

5. Steuersystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (z.B. 43) zum Zuführen einer Wechselspannung an die Wicklung (41), und eine auf eine Veränderung des dieser Wicklung zugeführten Stromes ansprechende Einrichtung vorhanden sind.

0. Steuersystem nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch qekennzeichnet, daß eine zweite Wicklung (z.B.

28) mit der ersten Wicklung (27) gekoppelt ist, und daß eine Einrichtuna vorhanden ist, welche von einem Wechsel der Kopplung zwischen beiden Wicklungen abhängig ist (Fig. 3).

7. Steuersystem nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis r, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Zuführen einer Wechselspannung an die erste Wicklung und eine Einrichtung zur Abnahme einer in die zweite wicklung induzierten Spannung.

8. Steuersystem nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 7, ekennzeichnet durch eine mit dem Kernelement (18) und dessen Wicklung (27, 28) verbundene Schwingungserzeugungseinrichtung, deren Ausgang durch den magnetischen Zustand des Elementes (18) beeinflußbar ist (Fig. 3).

3. Steuersystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Schwingungserzeugunaseinrlchtung ein Transistor (30) gehört, der mit den zwei Wicklungen (27, 28) auf dem Kernelement (18) einen rückgekoppelten Oszillator bildet.