DE2452082A1 - Kollektorloser gleichstrommotor mit einstraengiger statorwicklung - Google Patents

Description

Papst-Motoren KG 3o.Ιο. 1974

St.Georgen/Schw. DT-187

Kollektorloser G-I ο i chs trommotor mit ei as trängiοer ίtatorwick1ung

Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen Gleichstrommotor mit ei ns trängiger Statorwicklung, welche ein reines Wechsel feid erzeugt, mit permenanetmagnetischem Rotor und mit einer elektronischen Kommutierungseinrichtung, welche durch einen Hallgenerator oder ein äquivalentes Element in Abhängigkeit von der Rotorstellung gesteuert wird.

Sie betrifft insbesondere Motoren mit Kommutierung durch einen Hall generator und weiter solche mit einem ReI uktanzhi 1 fsnioment, welches durch geeignete Ausbildung des magnetischen Kreises des Stators erzeugt wird. Solche Motoren sind z.B. in der DT-OS 22 25 442 beschrieben.(Unter einsträngigen Motoren seien solche verstanden, deren Statorwicklung kein Drehfeld sondern ein Wechsel feid erzeugt.)

Bei Motoren der genannten Art hat sich herausgestellt, daß die optimale Kommutierung des Statorstromes besondere Maßnahmen erfordert, die bei konventionell aufgebauten mehrsträngigen Motoren im allgemeinen nicht erforderlich sind.

Bekanntlich ist es zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades bei kollektorlosen Gleichstrommotoren überhaupt notwendig, daß die einzelnen Stators-pul en des kollektorlosen Gleichstrommotors möglichst nur dann vom Strom durchflossen sind, wenn in diesen eine ausreichende Gegen-EMK induziert wird. In einem Wicklungsstrang soll der Strom also nur über einen Drehwinkcl von weniger als 18o° -j fließen, da wegen der unvermeidlichen Pollücken und der magnetischen Streuung die volle Gegen-EMK nie über einen Winkel von 18o -, induziert werden kann. Bei etwa sinusförmiger Magnetisierung des Rotormagneten bzw. sinusförmigem Verlauf der Gegen-EMK ist ein Stromflußwinkel unter 12o° , anzustreben, wäh-

el

rend er bei trapezförmigem Verlauf bis ca. 16o° , betragen kan.n, wobei vorausgesetzt ist, daß bei trapezförmiger EMK der konstante Wert höchstens über 16o -, andauert.

- ² - 8AD ORIGINAL

609819/0682

3o. To. 1974- ' 2 - DT-187

Zunächst se. der bekannte Fall betrachtet, daß Stellungsmelder, welche die Spulenströme des Stators in Abhängigkeit von der Rotorstel^Ίung steuern,für jede Statorspule bzw. deren Elektronik eindeutige und voneinander unabhängige Signale abzugeben in der Lage sind. Zu diesen Stellungsmeldern gehören die opto-elektronischen Melder, bei denen HeI1-Dunkel-Sektoren der Steuerscheibe oder ähnliche Einrichtungen die Stromf1ußwinkel eindeutig und unabhängig voneinander festlegen.

Es ist sowohl eine Überschneidung der Ströme in den Einzelspul cn als auch eine Pause zwischen diesen ohne weiteres mügiieh. Ähnlich verhalten sich andere bekannte Stellungsmelder, die auf dem Prinzip der HF-Übertragung beruhen und bei denen die die HF-Schwingungen abschirmenden Blenden oder die die Kopplung begünstigenden Ferrit-Sektoren so gestaltet werden können, daß die Stromf1ußwinkel die gewünschte Größe haben.

Beide genannten Prinzipien können auch für einsträngige Motoren angewendet werden und di'e ο. g. Bedi ngung erfüllen, indem die steuernden Sektoren oder Blenden so gestaltet werden, daß in Bereich der Kommutierung der Motor stromlos gemacht wird, d.h. eine dem Verlauf der induzierten Gegenspannung angepasste Pause im Stromflußbewirktwird.

Eine weitere bekannte Steuerung über Kontakte, welche von einer iJocke auf der Welle betätigt werden, ermöglicht di e- Unterbrechung des Motorstromes im Kommutierungsbereich.

Anders verhalten sich noch weitere bekannte Stellungsmelder, die keine eindeutigen und voneinander unabhängigen Signale an die einzelnen Eingänge der Endstufen-Transistoren abgeben können. Zu diesen gehört z.B. eine ebenfalls bekannte Kommutierungsschaltung, welche die induzierten Spannungen zur Stellungsmeldung nutzt.

Damit nun ein Motor der genannten Art anlaufen kann, muß die Schaltung so ausgelegt sein, daß auch im Stillstand, d.h. ohne . Kornmutierungssi gnal , eine Kommutierung des Stromes von einer Statorspule zur nächsten erfolgt-. Die Kommutierung erföl gt daher dadurch, daß das Abschalten einer Spule das Einschalten der nächsten bewirkt.

- 3

609819/066 2

BAD ORIGINAL

3o.To.1974 3 - DT-187

Eine Unterbrechung des Stromflusses während der Kommutierung ist nicht ohne weiteres möglich. Damit ist z.B. bei einem dreisträngigen Motor der Stromflußwinkel auf 12o° , festgelegt. Bei einem einsträngigen Motor betrüge er 18o° -, , d.h. er wäre für einen günstigen Wirkungsgrad zu groß.

Auch wenn man einen sogenannten Hallgenerator als Stellungsmelder verwendet, ist der Stromflußwinkel im allgemeinen nicht frei wählbar, wie in folgendem näner erläutert werden soll.

Der Hai 1 generator hat bekanntlich zwei Ausgangsspannungen, mit denen im al 1 gemeinen- zwei Stränge eines viersträngigen Motors gesteuert werden. Diese Ausgangsspannungen sind jedoch nicht voneinander unabhängig, sondern verhalten sich, von parasitären Unsymmetrien abgesehen, spiegelbildlich zueinander, d.h. wenn die Ausgangsspannung der Klemme I gegenüber den Steueranschlüssen steigt, sinkt sie an der Klemme II,und umgekehrt. Ohne die Spannung an den Steuerklemmen des Hai 1 generators zu beeinflussen, ist es folglich nicht möglich, gleichzeitig beide Ausgangsspannungen zu vermindern, um beide an dem betreffenden Hal I generator angeschlossenen Transistoren bzw. Statorspulen zu schalten und.eine definierte Stromflußpause während der Kommutierung zu erhalten. Der Stromflußwinkel beträgt daher in einfachen Motorschaltungen mit Hai 1 generatoren etwa 18o -, , wie dies eine weiter bekannte Offenlegungsschrift darlegt.

Die damit zusammenhängenden Nachteile, wie schlechter Wirkungsgrad und höhere Beanspruchung der elektronischen Bauelemente, sind ebenfalls in der bekannten Druckschrift genau dargestellt und eine Schaltung angegeben, bei der der Stromflußwinkel nur 9o° -, beträgt, wodurch der Wirkungsgrad des Motors verbessert und die Beanspruchung der Bauelemente gegenüber der einfachen Schaltung wesentlich vermindert wird. Die dort angegebene Lösung besteht darin, daß die vier Vorstufen-Transistoren durch einen gemeinsamen Emitter-Widerstand einen 4fach-Differenzverstärker bilden, so daß nur derjenige Vorstufen-Transistor leitend wird, der an der höchsten (der vier) Ausgangsspannung der zwei Hallgeneratoren liegt. Der Stromflußwinkel in den von den genannten Vor-

4
6 0 9 8 19/066?

4 - 3ο.Ιο.74

DT-187

stufen-Transistoren angesteuerten Endstufen-Transistoren beträgt somit 9o°_ei , wenn man von Unsymmetrien der Schaltungen absieht. Das in dieser Druckschrift beschriebene Prinzip zur Reduzierung des Stromflußwinkels ist für einen ei nsträngigen Motor offensichtlich nicht anwendbar, da es darauf beruht, daß der Stromflußwinkel in einer Statorspule gleich dem η-ten Teil des elektrischen Umdrehungswinkels ist, wobei η die Zahl der zu einer Differenzstufe zusammengefassten Transistoren ist. Für den einsträngigen Motor mit nur zwei Transistoren in der Vor-oder Endstufe beträgt dieser Winkel also 18o -, , d.h. er wäre nicht reduziert, und es treten die genannten Nachteile, wie schlechter Wirkungsgrad und höhere Beanspruchung der Wicklung und insbesondere der Endstufen-Transistören, unvermindert auf.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Anordnungen für die eingangs genannten Gleichstrom-Motoren zu schaffen, die ohne größeren zusätzlichen Aufwand den Wirkungsgrad und die Laufruhe verbessern, auch die Endstufen-Transistoren zu entlasten.

Die Aufgabe wird nach dem Kennzeichen des Hauptanspruchs gelöst. Es geht dabei um eine ausreichende Reduzierung des Stromflußwinkels je Stranghälfte auf Werte deutlich unter 18o° ·, .

Dabei ist die Größe des Stromflußwinkels vorteilhafterweise dem Verlauf der induzierten Spannung so anzupassen, daß der Stromfluß im Bereich der größten induzierten Spannung auftritt. Wei tere Unter-Ansprüche geben den Lösungsweg hierzu an.

Die Figuren und ihre Beschreibung zeigen verschiedene, auch Weiterbildungen darstellende Ausführungsbeispiele der Erfindung, welche, auch in Verbindung mit den weiteren Unteransprüchen, vorteilhafte Anordnungen offenbaren:

Fig. 1 Eine Kommutierungsschaltung mit Kopplung der Vorstufe-Transistoren über Kondensatoren an den Hai 1 generator,

Fig. 2 eine Kommutierungsschaltung mit Hai 1 generator, welcher über eine induktiv wirkende Impedanz gespeist wird,

Fig. 3 eine Kommutierungs sch al tung mit Hallgenerator, dessen Speisestrom einer aus der induzierten Spannung abgelei-

5
6098 19/066?

3ο.Ιο.1974 ' ^b " DT-137

teten Wechselstrom-Komponente überlagert wird,

Fig. 4 eine Kommutierungsschaltung mit Hal I generator, welcher eineDifferenzstufe steuert, deren Ausgangssignaleeinen stark unlinear arbeitenden Endstufenverstärker steuern,

Fig. 5 eine Regelschaltung, welche die Welligkeit der ausgekoppel ten, induzierten Spannung zur Erzeugnung von Strompausen nutzt und einen Phasenschieber enthält (entsprechend Fig.6 der DT-OS 22 52 727 der Anmelderin, welche dort auch ausführlich beschrieben ist),

Fig. 6 eine Regelschaltung, welche eine Frequenzweiche und eine

Phasenumkehrstufe enthält nach Fig. 6 der DT-OS 22 52

der Anmelderin, deren funktion dort ausführlich beschrieben ist,

Fig. 7 eine Regelschaltung mit einer getrennten, räumlich gegen die Hauptstatorspulen um 45° -, ... 8ο⁰·, versetzten Meßspule, welche" die WeTIi gk-e it der ausgekoppelten Spannung nutzt.

Die deutsche Patentanmeldung P 24 19 432.9 zeigt ebenfalls Anordnungen, in denen der Er'f i ndungs gedanke, jedoch in spezieller Weise, angewendet wird.

Die Schaltung nach Fi g. 1- arbeitet nach folgendem Prinzip: Die Parallel-Schaltung aus einer Diodenstrecke, wie sie die Basis - Emitterstrecke der Transistoren 4 und 5 darstellt, mit einem ohmschen Widerstand 16 bzw. 17 stellt einen an sich bekannten unlinearen Widerstand dar, welcher durch Spannungen, die der Flußrichtung der Diodenstrecke entgegengesetzt sind, dem ohmschen Widerstand entspricht, während er für Spannungen, die größer als die Schwellenspannung der Diode sind, einen kleineren Widerstand bildet.

Speist man einen derartigen unlinearen Widerstand über einen Kondensator 7 bzw. 8, z.B. mit einer sinusförmigen Spannung, so bewirkt der vergleichsweise kielnere Widerstand in Flußrichtung der Di odens trecke 4 bzw. ,5 eine. Verkürzung der Stromflußdauer in dieser Diode (unter 18o° -,). Dami t ist gewährleistet, daß der Kollek-

609 8 1 9/06 6?

- 6 - 3ο.Ιο.1974

DT-187

torstrom sowohl der Transistoren 4 bzw. 5 als auch der Endstufen-Transistoren 12 bzw. 13 jeweils weniger als 18o° ■, andauert.

Die Schaltung nach F i g.2 nützt die Tatsache aus, daß die Steuer- ■ strecke eines Hai 1 generators 1 ohne Magnetfeld einen wesentlich kleineren Widerstand bildet als im magneti si erten Zus ~;?.nd. Spei s t man den Hallgenerator 1 aus einer Stromquelle 27 mit vergleichsweise großem differentiel 1 em Innenwiderstand, so bewirkt die genannte Verminderung dieses Widerstandes der Steuerstrecke eine entsprechende Verminderung der Steuerspannung und damit der Ausgapeisspannungen des Hai 1 generators 1, wodurch sowohl Transistor als auch Transistor 5 stromlos werden. Dieser beschriebene feldfreie Zustand am Hai 1 generator tritt zum Kommutierungszeitpunkt auf, d.h.wenn sich die Feldrichtung am Hai 1 generator umkehrt,und bewirkt damit die Unterdrückung des Motorstroms während der Kommutierung.

Um die Ausgangsspannung des Hai 1 generators unabhängig von der Temperatur und der Betriebsspannung zu machen, ist eine Speiseschaltung 27 notwendig, welche nur für die Frequenz der Feldänderung einen höheren, differentiel 1 en Widerstand aufweist, für die Frequenz 0 jedoch möglichst eine Spannungsquelle mit kleinem Innenwiderstand bildet. Dies wird durch die Kombination der Elemente 2o bis 24 bewirkt. Der Kondensator 21 ist so bemessen, daß er für die FeIdwechselfrequenz die Steuerstrecken des Transistors 2o unwirksam macht, so daß der differentiel 1e Widerstand der Speiseschaltung 27 im wesentlichen durch den Widerstand 22. gebitdet wird, während bei tiefen Frequenzen der Transistor 2o als Impedanzwandler wirkt und den Innenwiderstand der Speiseschaltung etwa um den Faktor seiner Stromverstärkung vermindert.

Die Schaltung nach F i g.3 benutzt die in deren Wicklungen 3 und 4 rotatorisch induzierten Wechselspannungen, aus denen mit Hilfe der Dioden 34 und 35 eine Wechselspannung doppelter Frequenz gebildet wird, welche dem Steuerstron ^ss Hai 1 generators 1 überlagert wird, um den Steuerstrom jeweils während der Zeitabschnitte zu reduzieren, in denen in den Wicklungen 3 und 4 keine oder nur eine geringe Spannung induziert wird. Dadurch erhalten die Transistoren 12 und 13 ebenfalls während dieser Zeitabschnitte keine aus-

6098 19/0662

- 7 - 3ο.Ιο.1974

DT-187

reichende Steuerspannung, so daß die gewünschte Unterbrechung des Motorstroms während der Kommutierung erreicht wird.

Die Schaltung nach Fi g.4 arbeitet nach folgendem Prinzip: Die Transistoren 4 und 5 bilden einen Differenzverstärker, welcher" durch die Ausgangsspannungen des Hai 1 generators 1 gesteuert wird und deren Emitterstrom durch den Widerstand 41 sowie durch die Zenerdiode 43 festgelegt ist. Dieser Emitterstrom ist so gewählt, daß er für den Gleichgewichtsfall der Differenzstufe, d.h.wenn er sich auf die Kollektorströme der Transistoren 3 und 4 gleichmäßig verteilt, an den Widerständen Io und 11 je einen Spannungsabfall bewirkt, der unter der Schwellenspannung der Transistoren 12 und 13 liegt, so daß keiner dieser Transistoren leitend wird. Der genannte Gleichgewichtszustand tritt auf, wenn der Hallgenerator nicht magnetisch erregt ist, d.h. zum Zeitpunkt der Feldumkehr. Die beschriebene Anordnung bewirkt also ebenfalls eine Unterbrechung oder wenigstens eine wesentliche Verminderung des Motorstroms während der Kommutierung.

Fig.7 schließlich zeigt eine Schaltung eines Motors mit Drehzahlregelung. In der Hilfswicklung 51 wird eine der Drehzahl proportionale Spannung induziert,.welche durch die Brückenschaltung 52 gleichgerichtet und mit dem Widerstand 53 belastet wird. Die R-C-Kombination aus dem Widerstand 54 und dem Kondensator 55 bewirkt eine teilweise Glättung der gleichgerichteten Spannung und gleichzeitig eine Verschiebung der Phasenlage gegenüber der Spannung an der Wicklung 53 um wenigstens 45° ,. Aus der Spannung des Referenzsignals bzw. Referenzelementes 56 und einem am Potentiometer 57 eingestellten Teil der Drehz.ahl-proportionalen Spannung am Kondensator 55 wird ein Di^ferenzsignal gebildet, welches in üblicher Weise einem Regel verstärker, bestehend aus den Transistoren 5o und 58, zugeführt wird. Die genannte Restwel1igkeit wird in diesem Regel verstärker verstärkt und überlagert dem Speisestrom des Hallgenerators einen Wechselantei1 , welcher die gewünschte Verminderung bzw. Unterbrechung des Motorstroms während der Kommutierung bewirkt.

609819/0662

Claims (10)

•f. PAPST - MOTOREN KG 30.10.74 St.Georgen DT - 187 Patentansprüche

1. Kollektorloser Gleichstrommotor mit einsträngiger Statorwicklung, welche ein reines Wechselfeld erzeugt, mit permanentmagnetischem Rotor mit einer elektronischen Kommutierungseinrichtung, welche durch einen Hallgenerator oder ein äquivalentes Element, in Abhängigkeit von der Rotorstellung gesteuert wird, insbesondere nach der DT-OS 2 225 442, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische und/oder magnetische Mittel (6,7; 20 bis 26; 31 bis 36; 41,42,43; 50 bis 58) vorgesehen sind, welche den Stromfluß in der Statorwicklung (2,3) kurz vor dem theoretischen Kommutierungszoitpunkt unterbrechen,bezw. stark vermindern und erst nach dem theoretischen Kommutierungszeitpunkt wieder einschalten, bezw. verstärken.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterbrechung bezw. Schwächung des Wicklungsstromes einen Zeitraum einnimmt, der sich vorzugsweise annähernd symmetrisch vor und nach jenem Zeitpunkt erstreckt, zu welchem die rotatorisch in den Statorwicklungen induzierte Spannung den Wert Null durchläuft.

3. Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Unterbrechnung des Statorstromes bei annähernd trapezförmiger, räumlicher Verteilung die Erregerinduktion etwa der Anst i egs-bezw. der Abfal-Izeit der annähernd trapezförmigen rotatorisch induzierten Spannung entspricht.

4. Motor nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß auf seinen Rotor über erner Umdrehung eingegenüber dem elektrodynamisch erzeugten Motormoment am Umfang versetztes Hi1fsmoment, insbesondere ein ReIuktanzmoment, wirkt.

609819/068?

- I - 30. 10.74

.<}. DT - 187

5. Kollektorloser Gleichstrommotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, ia3 zwischen den Ausgangsklemmen des Hallgenerators (1), be zw. eines äquivalenten Elementes und den nachfolgenden Verstärkerstufen (5+12, 4+13) kapazitive Koppelglieder (6.7) vorgesehen sind. (Fig. 1)

6. ,-lotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, da3 die Signalspannungen des Hallgenerators (1) über diese -kapazitiven Kopplungsglieder (6,7) nicht lineare, vorzugsweise zu Null unsymmetrische Widerstände (4+16) spe--'.'.·■;, wodurch in an sich bekannter Weise aus den ursprünglich symmetrischen Spannungsver1 aufen unsymmetrische Spannungsverläufe g^cU det werden .

. i'iotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Unsymmetrie der Spannungs ver 1 auf e derart gewählt ist, daß d '. '-'■-Einschaltdauer jedes der beiden Endstufentransistoren -'·. ? "} stets unter 50.. liegt.

c. Kollektorloser Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerstrecke des Hallgenerators (1) an einen Zweipol (2 5,26 von 20) geschaltet ist, welcher bei der Schaltfrequenz der Statorströme als Stromquelle mit vergleichsweise großem, differentiel 1 em Widerstand wirkt, für die Frequenz Null jedoch eine Spannungsque". 'e mit vergleichsweise kleinem Innenwiderstand bildet.

9. Kollektor Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 'es i, dadurch gekennzeichnet,.daß bei einem Motor mit Drehzahl regelung die Welligkeit der π i t Hilfe von Dioden (34,35) in an sich bekannter Weise ausgekoppelten rotatorisch induzierten Spannung dem Steuerstrom des Hai 1 generators (1) oder eines äquivalenten Elementes überlagert wird, derart, daß i"

60 9 819/0 66?

ßAD ORIGINAL

- ί - 30.10.74

./to. DT-187

Bereich des theoretischen Kommutierungs zeitpunktes der Wicklungsstrom vermindert bezw. unterbrochen wird.

10. KoI1ektoloser Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Stator eine Hilfswicklung (51) vorgesehen ist, deren rotatorisch induzierte Spannung gleichgerichtet wird und den Steuerstrom des Hallgenerators (1) , b e ζ w . eines äquivalenten Elementes so steuert, daß der Wicklungsstrom in der gewünschten Weise während der Kommutierung vermindert, bezw. unterbrochen wird

6098 19/0662

Hi

Leerseite