DE2527041B2

DE2527041B2 - Selbständig anlaufender, kollektorloser Gleichstrommotor

Info

Publication number: DE2527041B2
Application number: DE2527041A
Authority: DE
Inventors: Alexander Benet Green Lane Linton Gosling; Barrie Ewart Girton Cambridge Mealing
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1975-06-18
Filing date: 1975-06-18
Publication date: 1978-11-09
Also published as: IT1062240B; FR2316778B1; DE2527041A1; SE423011B; CA1059211A; BR7603907A; SE7606937L; ES448935A1; DK270476A; FR2316778A1; US4065706A; JPS521410A; DE2527041C3

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen selbständig anlaufenden, kollektorlosen Gleichstrommotor mit einem zwei gegensinnige, um 180° räumlich versetzte Pole aufweisenden Dauermagnetläufer und zwei um t>5 180° räumlich versetzten Ständerwicklungen, deren Durchflutungen durch je ein mit einer dieser Ständerwicklungen in Reihe an einer Gleichspannungsquelle liegendes, durch phasenverschobene Steuersignale in einen vollständig leitenden bzw. nicht leitenden Zustand steuerbares elektronisches Stellglied in Abhängigkeit von der Drehwinkellage des Läufers steuerbar sind, wobei zur Erfassung dieser Drehwinkellage ein eine Fühlerspule aufweisender Kern mit ausgeprägtem Sättigungsknick durch ein mit dem Läufer umlaufendes Magnetfeld abwechselnd sättigbar und entsättigbar ist und die Steuersignale für die Stellglieder aus den Induktivitätsänderungen der Fühlerspule ableitbar sind.

Ein derartiger selbständig anlaufender kollektorloser Gleichstrommotor ist aus der DE-OS 18 15 091 bekannt Bei diesem Motor ist nicht sichergestellt, daß er von selbst in einer vorbestimmten Richtung anläuft, und sein Anlaufmoment ist gering. Nach der genannten Offenlegungsschrift sind daher weitere Ständerwicklungen und Stellglieder vorgesehen, die von mehreren auf dem Ständerumfang verteilt angeordneten, auf einen mit dem Läufer umlaufenden eigenen Dauermagneten ansprechenden Fühlerspulen gesteuert werden. Dies führt jedoch zu einem erheblichen Verdrahtungsmehraufwand auf Seiten des Motors und zu einem größeren Energiebedarf aufgrund der zusätzlichen Bauelemente. Der Gleichstrommotor hat daher einen verhältnismäßig geringen Wirkungsgrad bei hohem Aufwand. Der Wirkungsgrad und der Aufwand spielen vornehmlich bei Anwendung des Motors für Kältemaschinen, die bezogen auf ihre Lebensdauer sehr häufig in Betrieb sind und in großen Stückzahlen hergestellt werden, insbesondere bei mittels akkumulatorbetriebenen Kältemaschinen für den Freizeitbedarf, zum Beispiel in Wohnwagen, Booten, Ferienhäusern usw., aber auch bei batteriebetriebenen Haushaltsgeräten, wie Tonbandgeräten, eine entscheidende Rolle.

Bei dem aus der US-PS 27 97 376 bekannten Gleichstrommotor ist für jedes Stellglied je eine Fühlerspule mit vormagnetisiertem Kern vorgesehen. Die Fühlerspulen und die Ständerwicklungen sind räumlich um 90° zueinander versetzt. Beide Fühlerspulen werden von einem Oszillator mit einer Wechselspannung gespeist. Durch die Drehung des Dauermagnet-Läufers ändern sich die Impedanzen der Fühlerspulen und damit die Hüllkurven der sie durchfließenden Wechselströme, die zur Bildung der Steuersignale gleichgerichtet und geglättet werden. Die Fühlerspulen sind im Ständergehäuse angeordnet. Der Oszillator und die zur Abteilung der Steuersignale erforderliche Schaltung sind nicht im Motor untergebracht. Es müssen daher sechs Verbindungsleitungen aus dem Ständer des Motors herausgeführt werden. Die Unterbringung der beiden Fühlerspulen im Ständer sowie die zahlreichen Anschlußleitungen ergeben einen komplizierten Ständeraufbau mit entsprechend hohen Herstellungskosten. Jede Fühlerspule stellt zudem einen Energieverbraucher dar. Der Gleichstrommotor hat daher einen verhältnismäßig geringen Wirkungsgrad bei hohem Aufwand.

Aus »Philips Technische Rundschau«, 30. Jahrgang, 1969/70, Nr. 1/2, Seiten 13 bis 18 ist ein kollektorloser Gleichstrommotor mit vier Ständerwicklungen und vier Fühlerspulen bekannt, denen acht Transistoren mit antiparallel geschalteten Dioden als Stellglieder zugeordnet sind. Auf der Läuferwelle ist ein dauermagnetisches Zylindersegment befestigt, dessen Magnetfeld die Kerne der Fühlerspulen in Abhängigkeit von der Drehwinkelstellung der Läuferwelle durchsetzt und in die Sättigung treibt. Das Zylindersegment erfordert spezielle Maßnahmen zur Auswuchtung. Die Fühlerspu-

len sind in einem besonderen Gehäuse am Ständer untergebracht Dieser Motor erfordert mithin ebenfalls einen hohen Bauelemente- und Verdrahtungsaufwand und hat eine der Vielzahl der Bauelemente entsprechend hohe Verlustleistung.

Bei dem aus den DE-GM 19 50 676 bekannten bürstenlosen Gleichstrommotor sind sechs Ständerwicklungen und mehrere Steuer- und Empfängerspulen, die durch eine unsymmetrische und demzufolge unausgewuchtete Abschirmscheibe auf der Läuferweile getrennt sind, als Positionsgeber vorgesehen. Hier ist der Aufwand mithin noch höher.

Die DE-AS 12 63 914 beschreibt einen bekannten kollektorlosen Gleichstrommotor mit mehreren Ständerwicklungen und zu diesen in Reihe geschalteten Leistungstransistoren, ständig mit Hochfrequenz gespeisten Geberspulen, durch die Geberspulen induktiv erregten Steuerspulen und einer mit dem Läufer zwischen Geber- und Steuerspulen umlaufenden Abschirmscheibe mit wenigstens einem die Kopplung zwischen beiden Spulen bewirkenden Sektor. Auch dieser Aufbau ist aufwendig und bedingt spezielle Maßnahmen zur Auswuchtung der Abschirmscheibe. Zur Verbesserung des Anlaufverhaltens ist bei diesem bekannten Motor die statische Magnetfeldverteilung zwischen Läufer und Ständer in Umfangsrichtung derart gewählt, daß die Polachsen von Läufer und Ständer im Stillstand einen spitzen Winkel bilden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen gattungsgemäßen Gleichstrommotor, insbesondere für mittels akkumulatorbetriebene Kältemaschinen oder batteriebetriebene Haushaltsgeräte, zu schaffen, der ohne wesentlichen Mehraufwand zuverlässig in einer vorbestimmten Drehrichtung anläuft und dennoch einen hohen Wirkungsgrad aufweist.

Diese Aufgabe wird bei einem selbständig anlaufenden, kollektorlosen Gleichstrommotor der eingangs genannten Art nach der Erfindung durch die Kombination folgender Merkmale gelöst:

a) der Motor dient zum Antrieb eines abwechselnd Arbeits- und Leerhübe ausführenden#>Arbeitselements;

b) der Kern der das Läuferfeld erfassenden Fühlerspule ist bis in die Nähe seines ersten Sättigungsknickes vormagnetisiert und die Feldstärke des von der Fühlerspule erfaßten Läuferfeldanteils ist kleiner als der Feldstärke-Abstand des Vormagnetisierungspunktes vom zweiten Sättigungsknick;

c) zwischen Läufer und Ständer ist in Umfangsrichtung eine derartige statische Magnetfeldverteilung gewählt, daß die Polachse des Läufers im Stillstand einen spitzen Winkel mit der Polachse des Ständers bildet;

d) die Stillstandslage des Läufers ist in bezug auf die des Arbeitselements so gewählt, daß der Motor mit einem Leerhub des Arbeitselements anläuft.

Der spitze Winkel zwischen den Polachsen von Läufer und Ständer stellt sicher, daß der Läufer in der gewünschten Drehrichtung anläuft und in jedem Falle ein Anlaufmoment vorhanden ist. Dieses Anlaufmoment braucht jedoch nicht sehr hoch zu sein, weil das angetriebene Arbeitselement in der ersten Anlaufphase leerläuft. Ein geringeres Belastungsmoment in der Anlaufphase hat einen geringen Anlaufstrom mit entsprechend geringeren Verlusten, also höherem Wirkungsgrad, zur Folge. Der Motor läuft sc'ineller hoch. Wählt man den von der Fühlerspule erfaßten Läuferfeldanteil kleiner als den Feldstärke-Abstand des Vormagnetisierungspunktes vom zweiten (unteren) Sättigungsknick, dann ist sichergestellt, daß der Kern der Fühlerspule während einer Läuferumdrehung nur einmal gesättigt und entsättigt wird. Wäre der von der Fühlerspule erfaßte Läuferfeldanteil größer als der genannte Feldstärke-Abstand, dann würde der Kern der Fühlerspule während einer Läuferumdrehung in beiden Richtungen gesättigt, also zweimal gesättigt und zweimal entsättigt Infolgedessen würden die Stellglieder während einer Läuferumdrehung jeweils zweimal, und zwar abwechselnd, in den leitenden Zustand gesteuert und gesperrt Die Folge wäre, daß der Läufer, wegen der zweipoligen Ausbildung des Stators, während einer Umdrehung nicht nur angetrieben, sondern auch wieder abgebremst würde. Dies gilt insbesondere, wenn nach dem ersten aus einer Sättigung abgeleiteten Antriebsimpuls die Drehgeschwindigkeit des Läufers entsprechend hoch ist. Dann könnte der Entsättigungsbereich der Magnetisierungskennlinie auch so rasch durchlaufen werden, daß das Steuersignal für das zweite Stellglied sich entweder nicht ableiten ließe (wegen zu geringer Empfindlichkeit der Ableitmittel) oder zu kurz wäre, um das zweite Stellglied durchzusteuern, so daß das erste Stellglied gar nicht erst gesperrt würde. Folglich würde kein Drehfeld ausgebildet und der Läufer nach einer halben Umdrehung abgebremst. Durch die Vormagnetisierung in Verbindung mit der Wahl des von der Fühlerspule erfaßten Läuferfeldanteils wird dies vermieden. Auch diese Maßnahme fördert mithin das Anlaufverhalten. Je näher andererseits der Vormagnetisierungspunkt an den ersten Knickpunkt herangelegt wird, um so symmetrischer werden die Verhältnisse von Einschaltdauer zu Ausschaltdauer bei den Stellgliedern, d. h. sie können sich bis praktisch über 180° erstrecken, sofern die Hysterese der Magnetisierungskurve vernachlässigbar ist. Ist die Hysterese dagegen nicht vernachlässigbar, dann läßt sich eine völlige Symmetrie auch dadurch erzielen, daß der Vormagnetisierungspunkt um den Betrag der Koerzitivkraft vor den rechten oberen Knickpunkt gelegt wird. Je symmetrischer die Ansteuerung der Stellglieder erfolgt, um so genauer verteilt sich das antreibende Drehmoment auf die beiden Hälften einer Umdrehung, und es ist sichergestellt, daß die Kommutierung der Stellglieder nicht zu früh erfolgt, was eine Abbremsung zur Folge hätte. Insgesamt bestimmt mithin auch die Wahl der Vormagnetisierung und der Größe des von der Fühlerspule erfaßten Läuferfeldanteils die Drehrichtung, d. h. den Anlauf in einer bestimmten Richtung. Hinzu kommt, daß die selbsttätige Einstellung in die definierte Stillstandslage des Läufers, d. h. auf den Anfang eines Leerhubs durch die Gegenkraft des letzten Arbeitshubs des Arbeitselements unterstützt wird.

Zur Verbesserung des Wirkungsgrads bzw. der Verringerung der Verluste trägt bei, wenn der Kern der Fühlerspule einen Dauermagneten aufweist. Dadurch entfallen nicht nur eine Vormagnetisierungswicklung und ein Vormagnetisierungsstrom sowie die durch den Vormagnetisierungsstrom bedingten Verluste, sondern auch die vom Läuferfeld, zum Beispiel während des Anlaufs, gegebenenfalls in der Vormagnetisierungswicklung induzierten Ströme und deren bremsende Wirkung.

Wenn zu jedem, vorzugsweise als Leistungstransistor ausgebildeten Stellglied in an sich bekannter Weise eine Diode antiparallel geschaltet ist und die Drähte der Ständerwicklungen ent; nebeneinander gewickelt und

einander gleich sind, wird auf diese Weise nicht nur der Wirkungsgrad, sondern gleichzeitig das Anlaufmoment, und zwar in der richtigen Richtung, gesteigert, da sich die Entladungsdurchflutung der abgeschalteten Wicklung zur wirksamen Durchflutung der eingeschalteten Wicklung addiert, das heißt, die Drehfeldstärke erhöht.

Um den spitzen Winkel zwischen den Polachsen von Ständer und Läufer im Stillstand zu erzielen, können der Luftspalt zwischen Ständer und Läufer in Umfangsrichtung unterschiedlich ausgebildet und/oder ein Dauermagnet in der Nähe des Läuferumfangs und/oder im Läufer eine unsymmetrische Dauermagnetpolverteilung vorgesehen sein.

Die Zeichnungen stellen bevorzugte Ausführungsbeispiele schematisch dar. Es zeigt ·

F i g. 1 einen kollektorlosen Gleichstrommotor mit zugehöriger Steuerschaltung,

F i g. 2 die BH-Kennlinie der Fühlerspule,

Fig.3 und 4 verschiedene Ausführungsformen des Kerns der Fühlerspule,

F i g. 5 eine Ausführungsform des Motors mit bifilar gewickelten Ständerwicklungen und die

Fig.6 und 7 verschiedene Ausführungsformen von Ständer und Läufer zur Erzielung eines stabilen Haltepunkts des Läufers bei abgeschalteter Ständerwicklung.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel des kollektorlosen Gleichstrommotors nach F i g. 1 ist der Ständer 1 mit zwei Wicklungen 2 und 3 versehen. Jede Wicklung 2, 3 liegt in Reihe mit einem steuerbaren elektrischen 3d Stellglied 4, 5 in Form eines als Schalter betriebenen Leistungstransistors an einer Gleichstromquelle 6. Zu jedem Stellglied 4, 5 ist eine Diode 7, 8 antiparallelgeschaltet. Die Drehwinkellage des als Dauermagnet ausgebildeten Läufers 9 wird von einer in der Nähe des Läufers 9 angeordneten Fühlerspule 10 mit vormagnetisiertem, sättigbarem Kern erfaßt. Die Fühlerspule 10 ist einerseits mit demselben Pol der Gleichstromquelle 6, mit dem die Wicklungen 2 und 3 unmittelbar verbunden sind, und andererseits mit einer Steuereinheit 11 verbunden, so daß man mit nur vier Zuleitungen 12,13, 14 und 15 zum Motor auskommt.

Durch besondere, nachstehend beschriebene Maßnahmen ist dafür gesorgt, daß der Läufer 9 bei stromlosen Wicklungen 2, 3 die dargestellte Ruhelage einnimmt, in der seine Polachse einen spitzen Winkel mit der Polachse des Ständers 1 bildet. Das Feld des Läufers 9 bildet in dieser Lage des Läufers 9 eine solche Induktion im Kern der Fühlerspule 10 aus, daß die Steuereinheit dem Stellglied 4 ein Steuersignal zuführt, so Daraufhin wird das Stellglied 4 durchgesteuert, und es fließt ein Strom in der durch den Pfeil in der Leitung 12 angedeuteten Richtung. Der demzufolge ausgebildete Südpol 5 der Wicklung 2 stößt den Südpol 5 des Läufers 9 ab, so daß sich der Läufer 9 in der durch den gekrümmten Pfeil angedeuteten Richtung zu drehen beginnt Nach einer halben Umdrehung des Läufers 9 hat sich die Induktion im Kern der Fühlerspule 10 in der Weise geändert, daß das Steuersignal am Steuereingang des Stellgliedes 4 verschwindet und statt dessen dem Steuereingang des Stellgliedes 5 zugeführt wird. Dies hat zur Folge, daß der Strom durch das Stellglied 4 unterbrochen, die Wicklung 2 stromlos wird und ein Strom über die Wicklung 3 fließL Der untere Polschuh des Ständers wird daher so magnetisiert, daß sein Süd- fas pol dem Läufersüdpol S zugekehrt ist und dem Läufei

9 einen weiteren Impuls im gleichen Drehsinn erteilt Jedesmal, wenn ein Stellglied 4 bzw. 5 gesperrt wird kann sich die in Reihe liegende Wicklung 2 bzw. 3 übei die andere Wicklung 3 bzw. 2 und die betreffende Diode 8 bzw. 7 in die Gleichstromquelle 6 transformatoriscl· entladen. Auf diese Weise ergibt sich ein höherei Wirkungsgrad.

Bei jeder Umdrehung des Läufers 9 wiederholen siel· diese Vorgänge.

Nach Fi g. 2 ist der Kern der Fühlerspule 10 bis zuir Punkt A auf der BH-Kennlinie vormagnetisiert und da: Kernmaterial so gewählt, daß die BH-Kennlinie praktisch rechteckförmig ist Es genügt daher eint verhältnismäßig geringe zusätzliche Durchflutung, urr den Kern in die Sättigung zu treiben, in der die Induktivität der Spule praktisch Null ist. Diese sprungartige Induktivitätsänderung in der einen odei anderen Richtung wird in der Steuereinheit U zui Ableitung der Steuersignale für die Stellglieder 4 und J ausgewertet. Die Vormagnetisierung sorgt dafür, daC der Kern mit jeder Läuferumdrehung nur einmal bis zum Punkt C in die (positive) Sättigung getrieben und nur einmal bis zum Punkt D entsättigt wird. Eine hohe Induktivität der Fühlerspule 10 hat eine Durchsteueruni des einen bei gleichzeitiger Sperrung des anderen unc eine niedrige Induktivtät der Fühlerspule 10 eine Durchsteuerung des anderen bei gleichzeitiger Sperrung des einen der beiden Steuerglieder 4,5 zur Folge.

Der Kern der Fühlerspule 10 kann nach den Fig.; und 4 einen Teil 16 aus Ferrit und zur Vormagnetisierung einen Dauermagneten 17 aufweisen. Die Fühlerspule 10 ist in F i g. 1 nur schematisch dargestellt In dei Praxis ist sie so relativ zum Läufer 9 angeordnet daß sie in der Lage des Läufers, in der die Polachsen von Läufei und Ständer zusammenfallen, bis zum Punkt C oder L magnetisiert ist. Dabei kann die Achse der Fühlerspul«

10 auf den Läufer gerichtet sein, z. B. radial oder au dessen Stirnseite.

Die Ständerwicklungen 2, 3 können nach Fig.; bifilar, d. h. eng nebeneinandergewickelt und einandei gleich sein. Auf diese Weise ergibt sich eine enger« magnetische Kopplung zwischen den Wicklungen 2, 3 und damit eine bessere Rückführung der in der Wicklungen nach ihrer Abschaltung gespeicherter magnetischen Energie, was wiederum zu einer Steigerung des Motorwirkungsgrades führt

Die Erzielung eines stabilen Haltepunkts bei stromlosen Wicklungen 2, 3, d. h. bei abgeschaltetem Motor kann der Ständer nach F i g. 6 einen Dauermagneten Ii aufweisen, der so angeordnet ist daß die Polachse Psdet Ständers 1 mit der Polachse Pl des Läufers, der aucl· mehrere Dauermagnete aufweisen kann, einen spitzer Winkel einschließt Auf diese Weise ist sichergestellt daß die beim Einschalten des Motors zuerst erregte Wicklung sofort ein Drehmoment auf den Läufer S ausübt und der Motor selbständig anläuft

Das gleiche läßt sich nach Fig.7 durch eine entsprechende unsymmetrische Verteilung der Nord- und Südpole des Läufers 9 erreichen. Eine andere Möglichkeit einer entsprechenden unsymmetrischer Verteilung der Induktion im Luftspalit des Motor« besteht darin, den Luftspalt sich in Umfangsrichtung verjüngen oder vergrößern zu lassen. Diese Maßnahmen können auch kombiniert werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Selbständig anlaufender, kollektorloser Gleichstrommotor mit einem zwei gegensinnige, um 180° räumlich versetzte Pole aufweisenden Dauerma- s gnetläufer und zwei um 180° räumlich versetzten Ständerwicklungen, deren Durchflutungen durch je ein mit einer dieser Stander wicklungen in Reihe an einer Gleichspannungsquelle liegendes, durch phasenverschobene Steuersignale in einen vollständig leitenden bzw. nicht leitenden Zustand steuerbares elektronisches Stellglied in Abhängigkeit von der Drehwinkellage des Läufers steuerbar sind, wobei zur Erfassung dieser Drehwinkellage ein eine Fühlerspule aufweisender Kern mit ausgeprägtem Sättigungsknick durch ein mit dem Läufer umlaufendes Magnetfeld abwechselnd sättigbar und entsättigbar ist und die Steuersignale für die Stellglieder aus den Jnduktivitätsänderungen der Fühlerspule ableitbar sind, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) der Motor dient zum Antrieb eines abwechselnd Arbeits- und Leerhübe ausführenden Arbeitselements;

b) der Kern der das Läuferfeld erfassenden Fühlerspule (10) ist bis in die Nähe seines ersten Sättigungsknickes vormagnetisiert und die Feldstärke des von der Fühlerspule (10) erfaßten Läuferfeldanteils ist kleiner als der Feldstärke-Abstand des Vormagnetisierungspunktes (A) vom zweiten Sättigungsknick;

c) zwischen Läufer (9) und Ständer (1) ist in Umfangsrichtung eine derartige statische Magnetfeldverteilung gewählt, daß die Polachse (P₂) des Läufers (9) im Stillstand einen spitzen Winkel mit der Polachse (P_s) des Ständers (1) bildet;

d) die Stillstandslage des Läufers (9) ist in bezug auf die des Arbeitselements so gewählt, daß der Motor mit einem Leerhub des Arbeitselements anläuft.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern der Fühlerspule einen Dauermagneten (17) aufweist.

3. Motor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zu jedem, vorzugsweise als Leistungstransistor ausgebildeten Stellglied eine Diode antiparallel geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte der Ständerwicklungen (2,3) eng nebeneinander gewikkelt und einander gleich sind. so

4. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt zwischen Ständer und Läufer in Umfangsrichtung unterschiedlich ausgebildet und/oder ein Dauermagnet (18) in der Nähe des Läuferumfangs und/oder im Läufer (9) eine unsymmetrische Dauermagnetpolverteilung vorgesehen ist.