DE2415346B2 - Selbsterregender Gleichstrommotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen selbsterregenden Gleichstrommotor der im Oberbegriff des Patentanspruchs angegebenen Gattung.

Der Teller eines Plattenspielers ist oft direkt mit der Welle eines Servomotors gekoppelt, dessen Drehzahl exakt auf einen konstanten, niedrigen Wert eingestellt ist, so daß die Zwischenschaltung eines Transmissionssystems nicht erforderlich ist.

Ein solcher Servomotor muß selbstverständlich eine genau definierte, sich möglichst wenig ändernde Drehzahl bei äußerst geringen mechanischen Schwingungen einhalten. Weiterhin ist wesentlich, daß ein solcher Servomotor leicht selbst anlaufen und sich nicht in der entgegengesetzten Richtung drehen kann.

Ein selbsterregender Gleichstrommotor der angegebenen Gattung ist aus der DT-AS 12 39 390 bekannt. Dieser Gleichstrommotor weist einen Rotor, einen Stator, eine Einrichtung zum Feststellen der Rotor-Startposition, eine Felderreger-Schaltung sowie eine Servoeinrichtung auf, welche die Motordrehzahl erfaßt, den Feldstrom in Abhängigkeit von der Drehzahl reguliert und damit eine gewünschte Nenn-Drehzahl einhält.

Der wesentliche Vorteil eines solchen selbsterregenden Gleichstrommotors ist, daß die Lage des Rotors jeweils exakt festgestellt werden kann, daß er hervorragende Rotations-, das heißt Gleichlauf-Eigenschaften hat, da Wellenform und Schwingung des Ausgangssignals bei konstanter Drehzahl gleichmäßig sind, und daß sich die Drehzahl des Rotors leicht über entsprechende Steuerung des Feldstroms regulieren läßt.

Nachteilig bei diesem Gleichstrommotor ist, daß eine Einrichtung zum Feststellen der Startposition erforderlich ist, da der Motor nicht selbst anlaufen kann; außerdem wird bei der Erzeugung eines Anlaufmomentes von außen die Drehrichtung des Gleichstrommotors durch die Richtung des angelegten äußeren Anlaufmomentes bestimmt.

Wenn ein solcher selbsterregender Gleichstrommotor für den obenerwähnten Direktantrieb eines

ίο Plattentellers verwendet wird, so kann der Fall eintreten, daß die äußere Kraft versehentlich in der entgegengesetzten Richtung wirkt, das heißt, der Gleichstrommotor läuft in der entgegengesetzten Richtung an. Obwohl die Einrichtung zum Feststellen

is der Startposition so ausgelegt ist, daß sie mittels ihres Ausgangssignals den Rotor in einer festgelegten Richtung, nämlich der Vorwärtsrichtung, antreibt, wirkt das Ausgangssignal so, daß der Rotor in Richtung seiner ersten Drehung angetrieben wird. Wenn also das von der äußeren Kraft hervorgerufene umgekehrte bzw. entgegengesetzte Drehmoment groß ist, so wird der Gleichstrommotor in Rücklaufrichtung unabhängig davon angetrieben, daß die Einrichtung zum Feststellen der Startposition ein Drehmoment in Vorwärtsrichtung erzeugt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen selbsterregenden Gleichstrommotor der angegebenen Gattung zu schaffen, der sich auch dann nicht in umgekehrter Richtung drehen kann, wenn durch die

jo äußere Kraft ein Gegendrehmoment, also ein Drehmoment in Rückwärtsrichtung, auf den Rotor ausgeübt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebe-

!5 nen Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen insbesondere auf folgender Funktionsweise: Nach dem Anlaufen des Gleichstrommotors mittels des Positionssignals gelangt die durch die Rotordrehung über die Ankerwicklung erzeugte EMK auf die Steuerelektrode des Verstärkers, wodurch sich der durch die Feldwicklung des Gleichstrommotors fließende Strom erhöht und der Gleichstrommotor auf die gewünschte Nenn-Drehzahl gebracht wird. Diese Nenn-Drehzahl wird durch die Servoeinrichtung konstant gehalten. Nach dem Anlaufen des Gleichstrommotors erreicht er seine Nenn-Drehzahl beispielsweise auch dann, wenn die Einrichtung zum Feststellen der Rotor-Startposition beispielsweise abgeklemmt wird.

Weiterhin sind die Feststellelemente, beispielsweise Induktionsspulen, so ausgelegt, daß die Amplitude bzw. Stärke des von ihnen gelieferten positiven Halbperiodensignals größer ist als die über die Ankerwicklung erzeugte EMK, und zwar zumindest so lange, wie die Nenn-Drehzahl noch nicht erreicht ist. Wirkt auf den Gleichstrommotor ein äußeres Moment in Vorwärtsrichtung, so tritt die obenerwähnte Schwierigkeit in bezug auf den richtigen Anlauf nicht auf, da beide Ausgangssignale, also das Ausgangssignal des Feststell-

bo elementes und das Ausgangssignal der Ankerwicklung, so wirken, daß der Gleichstrommotor in der richtigen, also der Vorwärtsrichtung, anläuft. Wirkt andererseits eine äußere Kraft, die den Gleichstrommotor in Gegenrichtung drehen will, so erzeugt die Einrichtung

iv> zum Feststellen der Rotor-Startposition ein Signal, das eine Vorwärtsdrehung bewirkt, während andererseits das von der Ankerwicklung gelieferte Signal den Motor in Gegenrichtung zu drehen versucht. Da jedoch das

Ausgangssignal der Feststellelemente größer ist als das von der Ankerwicklung stammende Signal, wird auch in diesem Fall immer sicher und zuverlässig der Anlauf in Vorwärtsrichtung erreicht.

Im Gegensatz hierzu wird der Gleichstrommotor nach der DT-AS 12 39 390 angehalten, wenn der die Feststellelemente beaufschlagende Oszillator unterbrochen wird, und zwar auch dann, wenn der Gleichstrommotor zunächst durch das Ausgangssignal der Feststellelemente gestartet wurde.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild einer Ausführungsform eines selbsterregenden Gleichstrommotors nach der Erfindung,

F i g. 2 die Phasenbeziehungen der Wellenformen der Spannungen und Ströme an verschiedenen Stellen der Einrichtung zum Feststellen der Rotor-Startposition und der Selbsterregerschaltung des Schaltbildes nach F i g. 1 bei einer Drehung des Rotors in Vorwärtsrichtung,

Fig. 3 der Fig. 2 entsprechende Wellenformen bei einer Drehung des Rotors in Rückwärtsrichtung und

Fig.4 in einem Diagramm die Beziehung zwischen dem Drehmoment in Vorwärtsrichtung, das von dem Ausgangssignal der Einrichtung zum Feststellen der Rotor-Startposition nach F i g. 1 hervorgerufen wird, und den Drehmomenten in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung, die von dem Ausgangssignal der Ankerwick- jo lung bei einer definierten Drehzahl des Motors hervorgerufen werden.

Der in F i g. 1 gezeigte Gleichstrommotor weist einen Rotor 1, dessen Wellen nicht dargestellt sind, in Form eines Permanentmagneten mit einem Nordpol und einem Südpol, auf. Ein Stator 2 hat drei Magnetpole 3a, 36 und 3c, die jeweils gleiche Abstände voneinander haben. Auf den Magnetpolen 3a, 36 und 3c sind Feldwicklungen Aa, 4b und 4c sowie Ankerwicklungen 5a, 5b und 5c aufgebracht. In gleichen Abständen voneinander angeordnete Feststellelemente 6a, 6b und 6c zur Erfassung der Rotorstartposition werden von dem Stator 2 so gehaltert, daß sie eine Verlängerung des Rotors 1 umgeben, die rechts in F i g. 1 gezeigt ist. Bei dieser Ausführungsform entsprechen die Magnetpole 3a, 3b und 3c den Feststellelementen 6a, 6b bzw. 6c, wenn sich der Rotor 1 in Vorwärtsrichtung dreht. Das Feststellelement 6a ist in einer Lage dargestellt, in der es in Richtung der durch einen Pfeil gekennzeichneten Vorwärtsdrehung dem Magnetpol 3a des Stators 2 um 90° vorauseilt.

Die jeweiligen Feststellelemente 6a, 6b und 6c sind mit magnetischen Modulatoren versehen, von denen jeder einen Kern, der durch einen Vormagnetisierungs-Permanentmagneten 7 magnetisch gesättigt ist und auf den Kern gewickelte Hochfrequenzspulen 8 und 9 aufweist. Die Spulen 8 sind parallel zu einer Hochfrequenzquelle 10 geschaltet, jeweils ein Anschluß der Hochfrequenzspule 9 ist gemeinsam an Masse gelegt. Bei dieser Ausführungsform sind der Rotor und die «j Feststellelemente so ausgelegt, daß nur der gegenüber dem Nordpol des Rotors 1 liegende Kern entmagnetisiert wird, um das Ausgangssignal der zugeordneten Hochfrequenzspule 9 zu erzeugen.

Eine nicht gezeigte Servoeinrichtung mit einer _h-, Servosignalquelle 1 dient dazu, die Drehzahl des Rotors 1 entsprechend den magnetomotorischen Kräften, die in den Ankerwicklungen 5a, 5b und 5c induziert werden, festzustellen, um der Phasenelektrode eines Schalttransistors 13 ein der Drehzahl des Rotors I entsprechendes Servosignal zuzuführen. Eine Gleichstromquelle 15 liefert den Speisestrom für n-p-n-Transistorverstärker 14a, 14Z), 14c sowie den Feldstrom der Feldwicklungen 4a, 4b und 4c. Ein Anschlußsatz der Feldwicklungen 4a. 4b und 4c ist mit den Kollektoren der jeweiligen Transistoren 14a, 146 und 14c verbunden, während der andere Anschlußsatz an Masse liegt. Ein Anschlußsatz der Hochfrequenzspule 9 der Feststellelemente 6a, 6b und 6c ist mit den Basen der Transistoren 14a, 146 bzw. 14cüber Dioden 16a, 166 bzw. 16c verbunden, die auf die dargestellte Weise gepolt sind, während der andere Anschlußsatz der Hochfrequenzspule 9 an Masse liegt. Die Emitter der Transistoren 14a, 14b und 14c sind mit dem an Masse liegenden Minuspol der Gleichstromquelle 15 verbunden. Der Pluspol dieser Quelle ist an den Emittern des Schalttransistors 13 angeschlossen, während sein Kollektor mit den anderen Anschlüssen der Feldwicklungen verbunden ist. Parallel zu den Basen und Emittern eines jeden Transistors 14a, 146 und 14c, liegt ein Kondensator 17. Die Feldwicklungen 4a, 46 und 4c verlaufen so, daß die Magnetpole 3a, 36 bzw. 3c Nordpole bilden, wenn die Feldströme 18a, 186 und 18c in Richtung der Pfeile durch die Feldwicklungen fließen. Die Ankerwicklungen 5a, 56 und 5c verlaufen so, daß jeweils in den Wicklungen durch Veränderung bzw. Verschiebung des Magnetflusses elektromotorische Kräfte 19a, 196 und 19c in der angedeuteten Richtung induziert werden, wenn die Pole des Motors 1 unter den Magnetpolen 3 ihre Polarität von Nordpol auf Südpol ändern.

Die Ausgangssignale der Hochfrequenzspule 9 der Feststellelemente 6a, 66 und 6c ändern sich zwischen positiv und negativ. Durch die Dioden 16a, 166 und 16c werden jedoch nur ihre positiven Halbperiouensignale gleichgerichtet, um positive Vorspannungen an die Basen der entsprechenden Transistoren 14a, 146 und 14c anzulegen. Die positiven Halbperiodensignale der Feststellelemente werden so ausgewählt, daß sie größer sind als die positiven Halbperiodensignale der entsprechenden Ankerwicklungen, wenn die Drehzahl des Rotors 1 niedriger als eine vorher festgelegte Nenn-Drehzahl ist, wie sie durch die Servoeinrichtung vorgegeben wird.

Bei stehendem Rotor 1 hält während des Betriebs ein Servosignal 12 einen p-n-p-Transistor im eingeschalteten Zustand. Unter diesen Bedingungen erzeugt die Hochfrequenzspule eines Feststellelementes, das nun dem Nordpol des Rotors 1 gegenüberliegt, ein hochfrequentes Positionssignal, welches durch die Diode 16 gleichgerichtet und durch den Kondensator 17 geglättet wird, so daß den Basen entsprechender Transistoren 14a, 146 bzw. 14c eine glatte Gleichvorspannung zugeführt wird. Das verstärkte, gleichgerichtete Positionssignal wird auf die entsprechende Feldwicklung 4a, 46 bzw. 4c gegeben, so daß sich der Rotor 1 zu drehen beginnt. Bei dieser Drehung des Rotors wird sein Nordpol nacheinander gegenüber den Magnetpolen des Stators angeordnet, so daß sich der Rotor 1 in Richtung des Pfeils weiterdreht. Von den elektromotorischen Kräften, die infolge der Drehung des Rotors in den Ankerwicklungen 15a, 156 und 15c induziert werden, wird nur die elektromotorische Kraft der verschiedenen elektromotorischen Kräfte 18a, 186 bzw. 18c, welche die in der Zeichnung angegebene Polarität hat, durch den entsprechenden Transistor 14a, 146 bzw. 14c verstärkt, so daß ein dieser Drehzahl

entsprechender Feldstrom einer der Feldwicklungen zugeführt wird; dadurch nimmt die Drehzahl des Rotors 1 allmählich zu. Wenn die Servosignalquelle 11 den Schalttransistor 13 mit einem einer vorgegebenen Nenn-Drehzahl entsprechenden Steuersignal 12 im Ein/Aus-Betrieb steuert, so wird der Rotor auf diese Nenn-Drehzahl beschleunigt und läuft anschließend mit dieser Drehzahl.

Fig. 2-1 zeigt die Ausgangssignalwellenform des Feststellelements 6a, wobei die ausgezogenen Linien die gleichgerichteten positiven Halbperiodensignale darstellen. F i g. 2-2 zeigt die Ausgangswellenformen einer entsprechenden Ankerwicklung 5a, wobei die ausgezogenen Linien die elektromotorische Kraft 19a bei einer Drehung des Rotors 1 in Pfeilrichtung darstellen. F i g. 2-3 zeigt die Wellenformen des Basisstromes des Verstärkertransistors 14a. F i g. 2-4 stellt die Ausgangssignalwellenformen des Verstärkertransistors 14a dar. Dabei ist auf der Abszisse jeweils die Winkellage des Rotors 1 aufgetragen. Wie man aus F i g. 2 erkennen kann, ist das positive Halbperiodensignal, das in Fig. 2-1 gezeigt ist, in Phase mit dem in Fig. 2-2 gezeigten positiven Halbperiodensignal. Diese Ausgangssignale wirken so zusammen, daß während der Perioden 0—π, 2π — 3π ... im Bogenmaß ein Drehmoment in Vorwärtsrichtung erzeugt wird. Die gleiche Beziehung gilt für andere Phasen; daraus ergibt sich also, daß der Rotor 1 kontinuierlich in Vorwärtsrichtung läuft.

Unter Bezugnahme auf Fig.3 soll nun der Fall betrachtet werden, bei dem der Rotor 1 durch eine äußere Kraft in Gegenrichtung, also in Rückwärtsrichtung, gedreht wird. Das positive Halbperiodensignal des Feststellelements 6a ist für diesen Fall in F i g. 3-1 durch ausgezogene Linien dargestellt; dieses Halbperiodensignal wird der Basis des Transistors 14a zugeführt, wie sich aus F i g. 3-3 ergibt, so daß der Feldstrom durch die Feldwicklung 4a fließt und den Rotor 1 während der Perioden π — 2π, Zn— 4π .. .im Bogenmaß in Vorwärtsrichtung antreibt. Die in der Ankerwicklung 15a induzierte elektromotorische Kraft hat die in Fig.3-2 gezeigte Wellenform. Nur wenn ihr positives Halbperiodensignal, welches durch ausgezogene Linien dargestellt ist, der Basis des Transistors 14a zugeführt wird, fließt der in Fig.3-3 gezeigte Basisstrom durch die Basis des Transistors, so daß während der Perioden 0 — π, 2π — 3π ... ein Feldstrom durch die Feldwicklung 4a fließt, wie in Fig.3-4 gezeigt ist. Der durch die Feldwicklung 4a während dieser Perioden fließende Feldstrom erzeugt ein Drehmoment, das den Rotor 1 in Gegenrichtung drehen will. Dann wirkt jedoch das Drehmoment in Vorwärtsrichtung, das durch das positive Halbperiodensignal des Feststellelements 6a während der Perioden η — 2π, 3jt — 4π erzeugt wird, als Kraft, die das von dem positiven Halbperiodensignal der Ankerwicklung 5a während der Perioden 0 —π.

2π-3π... erzeugte Drehmoment in Rückwärtsrich tung übersteigt und damit überwindet. Obwohl in d obigen Erläuterung nur auf eine Phase Bezug genom men wurde, gilt die gleiche Beziehung auch für anden Phasen.

Solange die Drehzahl des Gleichstrommotors niedri ger ist als eine vorher festgelegte Nenn-Drehzahl, is also das positive Halbperiodensignal eines jedei Feststellelements größer als das positive Halbperioden signal der entsprechenden Ankerwicklung, so daß ein Drehung des Rotors 1 in Gegenrichtung so lange siehe verhindert wird, wie der Rotor 1 durch eine außen Kraft nicht mit einer höheren Drehzahl als de Nenn-Drehzahl angetrieben wird.

is Fig.4 zeigt die Beziehung zwischen den Antriebs kräften für den Rotor 1, die auf den Ausgangssignalen der Feststellelemente und der Ankerwicklungen beru hen, und der Laufdrehzahl des Rotors, wobei di Drehzahl des Rotors 1 auf der Abszisse aufgetragen is γ ist die von der Servoeinrichtung vorgegebene Nenn-Drehzahl. Auf der Ordinate ist das auf den Roto 1 wirkende Drehmoment aufgetragen. Die gerade Linie 20 zeigt das Ausgangssignal des Feststellelements, da immer ein positives Drehmoment an den Rotor anleg während die gerade geneigte Linie 21 das Ausgangssi gnal der Ankerwicklung zeigt; es läßt sich erkennen, daß die Ankerwicklung ein Drehmoment in Vorwärtsrich tung anlegt, wenn sich der Rotor 1 in Vorwärtsrichtunf dreht, jedoch ein Drehmoment in Rückwärtsrichtung liefert, wenn sich der Rotor 1 in Rückwärtsrichtun dreht. Die Nenn-Drehzahl in Vorwärtsrichtung { + beeinflußt die Drehrichtung in keiner Weise. Wen jedoch der Motor durch eine äußere Kraft mit eine Drehzahl angetrieben wird, welche die negativ

J5 Nenn-Drehzahl (-γ) übersteigt, so kann die Drehung des Rotors 1 in Rückwärtsrichtung nicht verhinder werden. Wird jedoch durch die äußere Kraft ein Drehzahl erzeugt, welche die negative Nenn-Drehzah ( — γ) nicht übersteigt, wenn das Drehmoment i Vorwärtsrichtung entsprechend der Linie 20 größer is als das Drehmoment in Rückwärtsrichtung entspre chend der Linie 21, so kann die Drehung des Rotors 1 i Rückwärtsrichtung völlig ausgeschaltet werden. Wir also das Ausgangssignal des Feststellelements se eingestellt, daß es bei der Nenn-Drehzahl wesentlic höher als das Ausgangssignal der Ankerwicklung ist, s< kann die Zeitspanne verringert werden, die für di automatische Änderung der Drehrichtung von de Rückwärtsrichtung auf die Vorwärtsrichtung erforder lieh ist, wie man aus F i g. 4 erkennen kann.

Die Zahl der Pole des Rotors 1 ist nicht auf de angegebenen Wert begrenzt. Außerdem können di hier erwähnten Feststellelemente mit magnetische Modulation durch Feststellelemente ersetzt werden, di mit fotoelektrischen Elementen oder mit Hall-Elemen ten arbeiten.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Selbsterregender Gleichstrommotor mit einem mehrpoligen, permanentmagneiischen Rotor und einem Stator, der mehrere, jeweils mit einer FeId- und einer Ankerwicklung versehene Magnetpole aufweist, mit einer Einrichtung zum Feststellen der Rotor-Startposition, die eine Mehrzahl von Feststellelementen umfaßt, die ein der Winkellage des Rotors entsprechendes Positionssignal liefern, mit einer Felderreger-Schaltung, die zwischen einer Speisequelle und jeweils einer der Feldwicklungen liegende Verstärker enthält, deren Steueranschluß jeweils mit dem zugeordneten Positionssignal solcher Polarität beaufschlagt ist, daß eine Rotordrehung in Vorwärtsrichtung gewährleistet ist, sowie mit einer Servoeinrichtung, die die Motordrehzahl erfaßt und den Feldstron, in Abhängigkeit von der Drehzahl reguliert und damit eine gewünschte Nenn-Drehzahl einhält, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der Ankerwicklungen (5a, 5b, 5c) zur Beeinflussung der Motor-Selbsterregung jeweils ebenfalls den Eingang eines der Verstärker (14,7, 14Z>, 14c) beaufschlagen und daß die Feststellelemente (6a, 6b, 6c) so dimensioniert sind, daß sie zur Verhinderung eines Motoranlaufs in Gegenrichtung auch unter äußerem Gegenmoment bei einer unter Nennwert liegenden Drehzahl ein positives Halbperiodensignal liefern, das größer ist als das von der entsprechenden Ankerwicklung stammende positive Halbperiodensignal.