DE2440533B2

DE2440533B2 - Drehzahlgeregelter buerstenloser motor

Info

Publication number: DE2440533B2
Application number: DE19742440533
Authority: DE
Inventors: Tadashi; Onishi Kazuo; Hitachi Takahashi (Japan)
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1973-08-24
Filing date: 1974-08-23
Publication date: 1977-06-30
Also published as: JPS5044411A; DE2440533A1; US3942083A; JPS5512836B2

Description

Die Erfindung betrifft einen drehzahlgeregelten bürstenlosen Motor nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Der Steuerbereich dieser bei diesem Motor verwendeten Transistoren (ausgenommen Feldeffekttransistoren) einschließlich Thyristoren hängt von der Größe der angelegten Spannung ab, wobei ein Schalten bei höheren Spannungen schwierig ist. Zwar kann der Steuerbereich durch Verwenden von Transistoren mit hoher Durchbruchsspannung erweitert werden, was jedoch kostenungünstig ist. Weiterhin ist es technologisch schwierig, eine hohe Durchbruchsspannung mit einer integriert aufgebauten Steuerschaltung zu erreichen.

Hinzu kommt, daß in Motorwicklungen aufgrund ihrer Induktivität oft eine Spannung induziert wird, wenn der Motorwicklungsstrom gesteuert ist, insbesondere wenn der Wicklungsstrom zyklisch abgeschaltet wird. Die Größe der induzierten Spannung, die lediglich während einer kurzen Zeitdauer erzeugt wird, ist proportional zur Abschaltgeschwindigkeit des Stromes, zur Größe des Abschaltstromes und zur Größe der Induktivität. Wenn deshalb ein Transistor mit einer vergleichsweise niedrigen Durchbruchsspannung verwendet wird, müssen Maßnahmen ergriffen werden, um das Entstehen der induzierten Spannung zu verhindern.

Eine derartige Vorsichtsmaßnahme muß auch ergrif- ho fen werden, wenn die in den Ständerwicklungen durch die Drehhung des Läufers induzierte Spannung zur Regelung des Motors auf konstante Drehzahl verwendet wird.

Ein bürstenloser Motor der eingangs genannten Art (^ ist bekannt durch die CH-PS 4 85 361, bei dem dient das Überbrückungsglied mit einer Zener-Diode: als Vergleichsspannungsquelle /um Betreiben des Motors mit konstanter Drehzahl: Die in den Ständerwicklungen induzierte Spannung wird durch diesen zugeordnete Dioden gleichgerichtet, durch einen Glättungskondensator gegläuet und dann mit einer Bezugs- bzw. Vergleichsspannung, nämlich der Spannung an der Zener-Diode, verglichen. In Abhängigkeit vom Vergleich wird die Leitfähigkeit der Transistoren und damit auch der Stromfluß durch die unmittelbar mit diesem verbundenen StänderwicJdungen gesteuert, um die Drehzahl konstant zu halten.

Wenn bei diesem bekannten bürstenlosen Motor der Strom durch die Ständerwicklungen abgeschaltet bzw. unterbrochen wird, fließt ein Abschaltstrom in einem geschlossenen Stromkreis aus einem Widerstand im Uberbrückungsglied, der in Reihe mit der Zener-Diode liegt, der Zener-Diode selbst, den Dioden und den Ständerwicklungen. Daher macht sich eine bei Unterbrechen des Stroms durch die Ständerwicklungen erzeugte Schaltspannung als Spannungsabfall am in Reihe mit der Zener-Diode liegenden Widerstand bemerkbar, welcher Spannungsabfall den Glättungs-Kondensator auflädt, so daß die die Ist-Drehzahl darstellende Spannung, die in den Ständerwicklungen bei Drehung des Läufers induziert wird und am Glättungs-Kondensator letztlich angelegt wird, verfälscht wird, also die Drehzahl nicht genau konstant regelbar ist.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, einen bürstenlosen Motor der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem nicht nur Transistoren niedrigerer Durchbruchspannung als bisher ohne besondere Schutzeinrichtungen verwendet werden können, sondern auch bei Abschalten des Stroms durch die Ständerwicklungen ein Überlagern von Schaltspannungen auf die die Ist-Drehzahl darstellende Spannung vermieden ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1.

Zunächst wird beim erfindungsgemäßen Motor jede in den Ständerwicklungen bei Abschalten des Stroms durch diese erzeugte Schaltspannung oberhalb der DurchlalJspannung des Überbrückungsglieds unabhängig von der Motor-Drehzahl abgeschnitten, so daß die Schaltspann ung nicht zu den Transistoren gelangen kann, also di sse vor einem Durchbruch schützt.

Ferner verhindert beim erfindungsgemäßen Motor im Ergebnis, eine Verfälschung der der Ist-Drehzahl entsprechenden Spannung durch Überlagerung der Schaltspannung, indem die Schaltspannungen durch das Überbrückungsglied abgeschnitten werden, also gar nicht ers t zum Vergleiche!·, z. B. einem Differenzverstärker, gelangen, in dessen einen Eingang also die reine der Ist-Drehzahl entsprechende Spannung, in dessen anderen Eingang: die z.B. von einer Konstantspannungsschaltunj; kommende Bezugsspannung gelangt. Erst das Ergebnis des im Vergleicher vorgenommenen Spannungsvergleichs steuert die Transistoren zur Drehzahl-Regelung.

Im Gegensatz dazu dient beim eingangs erwähnten bekannten Stand der Technik (vgl. CH-PS 4 85 361) das Überbrückungsglied mit seiner Zener-Diode unmittelbar als Verg eicher, so daß die Schaltspannungen in den Vergleich mit eingehen.

Bei der Erfindung wird dagegen wegen der Trennung zwischen Überbrückungsglied und Vergleicher, d. li. cer Nachschaltung des Vergleichers 7um Überbrikkungsglied. der für die Drehzahl-Regelung entscheidende Vergleich zwischen Ist-Drehzahl und Soll-Dreii7ahl. die beide durch Spannungen dargestellt

¹I

sind, im wesentlichen unabhängig von Schaltspannungs-Einflüssen vorgenommen.

Zwar ist noch ein Transistoren-Schaltverstärker für Gleichstrommotor-Folgeregelung bekanntgeworden (vgl. DT-AS 11 30 042), bei dem im Mittelzweig einer Brückenschaltung von Leistungstransistoren der Anker des Gleichstrommotors angeordnet ist, dessen Ankerwicklung nach Ausgleich der Regelabweichung je über einen Leistungstransistor und eine Zener-Diode kurzgeschlossen ist, wobei die ?.ener-Dioden zu den Laistungs- ι ο transistoren in Sperrichtung parallel geschaltet sind, um die Induktionsspitzenspannung des Ankers an den Leistungstransistoren zu begrenzen, also letztlich einen Durchbruch der Leistungstransistoren zu verhindern. Die dort verwendeten Zener-Dioden können jedoch nicht eine Verfälschung der Ist-Drehzahl-Spannung durch Schaltspannungen bei Stromunterbrechung verhindern.

Die Erfindung wird vorteilhaft weitergebildet durch die Lehre nach dem Patentanspruch 2. _J0

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung; näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein elektrisches Schaltbild eines erfindungsgemäßen drehzahlgeregelten bürstenlosen Motors,

F i g. 2 den Aufbau des erfindungsgemäßen bürstenlosen Motors,

Fig.3 den Verlauf der Emitter-Kollektor-Spannung des Schalltransistors und

Fig.4 ein Schaltbild mit einem abgewandelten Überbrückungsglied.

Die Schaltung des erfindungsgemäßen bürstenlosen Motors wird im folgenden anhand der Fig. 1 erläutert. Ständerwicklungen Mt, M₂ und M₃ sind jeweils gemeinsam am einen Ende mit einer positiven Netz- oder Versorgungsleitung ßi und am anderen Ende mit den ?s Kollektoren von npn-Transistoren Ti, T₂ und 7*3 verbunden. Die Emitter der Transistoren 7Ί bis Tj sind mit einer negativen Netz- oder Versorgungsleitung B₂ verbunden. Weiterhin sind Hall-Bauelemente Hi, H₂ und Hi vorgesehen, die alternativ zusammengesetzte Schalti.gen einschließlich Verstärkerschaltungen und dergleichen sein können sowie ein Ausgangssignal unter dem Einfluß des N-Pol-Magnetfeldes des Läufers Ro erzeugen, um einen Basisstrom jeweils in die entsprechenden Transistoren 7", bis T₃ zu speisen. Einer der 4s Vorstromanschlüsse jedes Hall-Bauelements Hi bis .V₃ ist gemeinsam mit der negativen Netzleitung B₂ verbunden, während der andere Anschluß an den gemeinsamen Kollektor eines Transistors To angeschlossen ist. Die Anoden von Dioden D\, D₂ und D$ sind so jeweils auf der Kollektorseite der Transistoren Ti, T₂ und T₃ mit den Enden der Ständerwicklungen Mi bis M₃ verbunden, während die Kathoden nach ihrer Zusammenfügung an den Bezugsanschluß eines Spannungsvergleichers Vc- angeschlossen sind. Eine Zener-Diode s> ZD ist zwischen dem Verbindungspunkt der Kathoden der Dioden D\ bis D₃ und der Netzleitung B₂ so vorgesehen, daß die Zener-Diode erregt ist, um eine Überbrückung für die Ständerwicklungen Mi bis M₃ zu bilden, wenn die Kathodenausgangsspannung den (>o .Schwellenwertpegel über der Drehzahlspannung überschreitet, die in den Ständerwicklungen Mi bis Mi durch die Drehung des Läufers Ro induziert wird. Deshalb kann die Zenerspannung der Zener-Diode ZD gleich dem Pegel, der nicht als Ausgangssignal erzeugt werden soll, über der Drehzahlspannung sein, die in den Sianderwicklungen Mi bis M-, abhängig von der inaxinialon vom Läufer R,. erwarteten Drehzahl induziert ist, so daß sie nicht durch eine Spannung erregt werden kann, die kleiner als ein derartiger Drehzahlspannungspegel ist Der Transistor To ist ein pnp-Transistor. Sein Emitter ist mit der Netzleitung Bi verbunden, und seine Basis ist an den Ausgangsartschluß des Spannungsvergteichers Vc angeschlossen. Der Spannungsvergleicher Vc der ein Differenzierverstärkerglied oder dergleichen hat, dient zum Vergleich der Drehzahlspannung Vo mit der Bezugsspannung Vs; so daß der Basisstrom des Transistors To zunimmt, wenn die Spannung V₅ größer ist als die Spannung V₀.

Im folgenden wird die Beziehung der Stellungen des Läufers Ro, der Ständerwicklungen M\ bis M₅ und der Hall-Bauelemente Hi bis H3 näher anhand der F i g. 2 erläutert

Ständerkerne St\, Sh und S*3 sind mit ihren magnetischen Achsen unter Winkeln von 120° angeord net und durch die Ständerwicklungen Mi bis M3 in einer derartigen Richtung umwickelt, daß die Ströme A, h und /3 in den Pfeilrichtungen fließen und jeder Ständerkern einen N-PoI bildet. Die Hall-Bauelemente H₁ bis H₃ sind ebenfalls in Winkelabständen von 120° angeordnet. Die Magnetisierung der Magnetpole des Läufers Ro um die megnatischen Achsen wird wie folgt bewirkt: Die Ständerkerne Sf 1 bis 5(3, die Hall-Bauelemente Hi bis H₃ und der Läufer R₀ sind so angeordnet, daß das Hall-Bauelement Hi in eine Arbeitsstufe umer den Magnetflüssen des N-Poles des Läufers Rn unmittelbar nach dem Durchgang der N-Pol-Magnetachse des Läufers R₀ durch die Magnetachse des Ständerkernes Sr, eintritt, während das Hall-Bauelement H₁ vom N-PoI freigegeben wird und in eine Abschaltphase eintritt, unmittelbar bevor die magnetische Achse des S-Poles die magnetische Achse des Ständerkernes Sr_s erreicht. Anstelle der obigen Anordnung, bei der die Hall-Bauelemente durch die Magnetflüsse des N-Poles erregt werden, können die Ströme /Ί bis /₃ in der entgegengesetzten Richtung in den Ständerwicklungen fließen, wenn die Hall-Bauelemente durch die Magnetflüsse des S-Poles erregbar sind.

Der Betrieb des erfindungsgemäßen bürstenlosen Motors wird im folgenden näher erläutert: In dem in den Figuren dargestellten Zustand liegt das Hall-Bauelement H₃ unter dem N-PoI des Läufers R₀, und deshalb ist der Transistor T₃ leitend, so daß der Strom Z₁ in der Ständerwicklung M₃ fließt, und daher ist der Ständerkern Sh in der N-Polarität magnetisiert. Als Ergebnis zieht der Ständerkern Sf₃ den S-PoI des Läufers R_n an, um ein Drehmoment in der durch einen Pfeil angedeuteten Richtung zu erzeugen. Während dieser Zeit ist die Emitter-Kollektor-Spannung Vn des Transistors T₃ in der eingeschalteten Phase, wie dies in der F i g. 3 gezeigt ist. Wenn der Läufer Ro umzulaufen beginnt und der Rand des N-Poles des Läufers R₀ eine Stellung gegenüber dem Hall-Bauelement Hi erreicht, wird der Transistor Ti auf ähnliche Weise erregt, wobei jedoch der Transistor T) abgeschaltet gehalten wird, da das Hall-Bauelement H₃ vom N-PoI freigegeben ist. Unter dieser Bedingung ist die in der Ständerwicklung M₁ induzierbare Spannung gegeben durch

/., = Induktivität der Ständerwicklung ,

/, = Abschaltstrom und

f = Abschalt/.eit.

Wenn jedoch die induzierte Spannung Vu die Zenerspannung V_z der Zener-Diode ZD erreicht (Fig.3), fließt ein Strom im Stromkreis mit der Ständerwicklung Mz, der Diode Di, der Zener-Diode ZD und der Ständerwicklung Mj, mit dem Ergebnis, daß die induzierte Spannung Vu durch die Zener-Spannung Vz gedämpft wird. Deshalb wird die am Transistor Tj liegende Spannung durch die Summe aus der Quellenspannung Vb und der Zener-Spannung Vz gedämpft. Wenn in diesem Fall der Transistor T₃ leitend wird, werden die Quellenspannung Vb sowie die aufgrund des S-Poles in der Ständerwicklung M₃ induzierte Spannung V_0n, zwischen den Emitter und den Kollektor des Transistors Tj gelegt. Die induzierte Spannung V_om, die direkt proportional zur Drehzahl des Läufers Ro ist, wird an den Vergleicher Vz als Drehzahlregelspannung V₀ über die Diode Di gelegt und mit der Bezugsspannung Vy verglichen. Wenn die Bezugsspannung Vs kleiner als die Spannung Vo ist, wird der Transistor To abgeschaltet oder sein Kollektorstrom verringert, um den Vorspannstrom in den Hall-Bauelementen H\ bis Hi und damit deren Ausgangsstrom zu verringern, so daß der in den Ständerwicklungen Mi und M₃ mittels der Transistoren 71 und Tz fließende Strom verringert wird. Wenn andererseits die Spannung V₀ niedriger als die Spannung Vs ist, ist das Umgekehrte der Fall, was einen vergrößerten Strom in den Ständerwicklungen Mi und M₂ bewirkt. Da das im Läufer K_n erzeugte Drehmoment proportional zum Strom in den Ständerwicklungen Mi s bis M) ist, wird eine Regelung mit konstanter Drehzahl durch Einstellung der Größe des Stromes entsprechend der Größe der Drehzahlregelspannung V₀ möglich, wie dies oben erläutert wurde. Wenn nebenbei die eingestellte Drehzahl geändert werden soll, so kann dies

ίο leicht durch einen Wechsel der Bezugsspannung Vs erreicht werden, die am Spannungsvergleicher V< liegt.

Im folgenden wird eine Abwandlung des Überbrük-

kungsgliedes anhand der Fig.4 erläutert. Die Anode der Zener-Diode ZD ist mit der Basis eines npn-Transis stors Ta verbunden, dessen Kollektor an die Kathoden der Dioden D₁ bis D₂ und dessen Emitter an die Netzleitung ßi angeschlossen ist. Bei dieser Schaltung wird der in der Zener-Diode ZDfließende Strom in den Emitter-Kollektor-Strom des Transistors Ta verstärkt, so daß es möglich ist, die Stromkapaziiät der Zener-Diode ZDzu verringern.

Schließlich kann auch die Zener-Diode durch ein anderes Halbleiterbauelement oder ein anderes Schaltungsglied mit ähnlichen Kennlinien ersetzt werden.

Hierzu 2 Blatt Z

Claims

Patentansprüche:

1. Drehzahlgeregelter bürstenloser Motor, mit einem Dauermagnet-Läufer, mit mehreren Ständerpolen, mit wenigstens einem elektrischen Steuerglied zur Erfassung der Stellung des Läufers relativ zum Ständer, mit mehreren unmittelbar an die Ständerwicklungen angeschlossenen Transistoren und mit einem vorzugsweise eine Zener-Diode aufweisenden Oberbrückungsglied parallel zu den Ständerwicklungen, das bei einer vorgegebenen Spannung durchlässig wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Oberbrückungsglied bei einer solchen Spannung (V₀) durchlässig gesteuert wird, ι χ die höher als die in den Ständerwicklungen (Mu Afc, Mi) durch Drehung des Läufers (R₀) induzierte Spannung (Vi₃) ist, und daß dem Überbrückungsglied ein Eingang eines Vergleichers (V_c) parallel geschaltet ist, dessen anderer Eingang mit einer Bezugsspannung (V,) beaufschlagt ist und dessen Ausgang die Leitfähigkeit der Transistoren (Tu T2, Ti) steuert (F ig. 1,3).

2. Motor nach Anspruch 1, wobei das Überbrükkungsglied außer der Zener-Diode einen Transistor parallel zu den Ständerwicklungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zener-Diode (ZD) den Basisstrom dieses Transistors (^steuert (F i g. 4).