DE2527057C3 - Steuerschaltung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuerschaltung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor, der einen Dauermagnet-Läufer und eine Ständerwicklung, die in Reihe mit einem steuerbaren elektronischen Stellglied an einer Gleichspannungsquelle liegt, aufweist, mit einem Oszillator, mit einem LC-Schwingkreis, dessen Induktivität durch eine mit einem Kern versehene und zur Erfassung der Drehwinkellage dem Läuferfeld ausgesetzte Fühlerspule bestimmt ist, und mit einem Demodulator, der aus einem vom Oszillator und djir Spuleninduktivität abhängigen Schwingungssignal ein drehwinkellagenabhängiges Steuersignal für das Stellglied ableitet.

Bei einer bekannten Schaltung dieser Art (DE'AS 69170) ist ein Oszillator als Wechselspannungsquelle Vorgesehen, die dauernd ein Schwingungssignal abgibt. Über den Reihen-LOSchwingkreis fließt ein Ström mit aß der LC-Schwingkrcis den

Schwingzustand

bestimmenden Teil des Oszillators bildet und die Induktivität der Fühlerspule so bemessen ist, daß durch die vom Läuferfeld hervorgerufene Induktivitätsänderung die Schwingbedingung erfüllt wird, so daß bei Drehung des Läufers das Schwingungsjignal intermittierend und das Steuersignal rechteckig ist

Bei dieser Steuerschaltung wird der LC-Schwingkreis als der den Schwingzustand bestimmenden Teil des Oszillators benutzt Dies hat bei entsprechender Bemessung der Induktivität der Fühlerspule zur Folge, daß schon kleine Induktivitätsänderungen ausreichen, um den Oszillator abwechselnd in Schwingung zu versetzen oder nicht schwingen zu lassen. Infolgedessen ist das Schwingungssignal intermittierend und nach Demodulation das Steuersignal rechteckig. Auch hierbei erfolgt das Umschalten schlagartig, da der Oszillator nur die beiden Zustände »Schwingen« und »Nichtschwingen« kennt Der Schaltung.a-ifbau ist einfach, weil das Steuersignal entweder vorhanden oder nicht vorhanden ist. Die Leistungsbilanz ist günstig, weil während der Hälfte der Betriebszeit kein Schwingungssignal und kein Steuersignal auftritt.

Wenn der Kern der Fühlerspule sättigbar ist, kann die Sättigung durch das Magnetfeld des Läufers erfolgen. Dies ergibt sehr starke Änderungen der Fühlerspulen-Induktivität und damit einen entsprechend ausgeprägten Ein- und Aussetzpunkt der Oszillatorschwipgung. Bei Verwendung eines Ferritkerns kann selbst ein schwaches Läuferfeld eine solche Änderung bewirken.

Günstig ist es weiter, wenn der Kern der Fühlerspule vormagnetisiert ist. Auf diese Weise kommt man mit einer nur geringen zusätzlichen Durchflutung aus, um den Kern in die Sättigung zu treiben. Ferner läßt sich auf diese Weise sicherstellen, daß der Kern nur durch eine zusätzliche Durchflutung der einen, jedoch nicht der anderen Polarität in die Sättigung getrieben wird, so daß sich eine eindeutige Drehwinkel-neldung ergibt.

Zur Ausbildung der Vormagnetisierung kann der Kern der Fühlerspule einen Dauermagneten aufweisen. Dies erspart Energie zur Aufrechterhaltung eines Vormagnetisierungsströms.

Vorzugsweise ist dafür gesorgt, daß beim Vorhanden^ sein von zwei abwechselnd über je ein steuerbares elektronisches Stellglied einschaltbaren Ständerwicklungen im Demodulator eine 180°-Phasenverschiebung des Rechteck-Steuersignals bewirkende Umkehrstufe

zur Erzeugung des Steuersignals for das zweite Stellglied nachgeschaltet ist. Auf diese Weise kommt man bei zwei Wicklungen mit nur einer Fühlerspule und dementsprechend einem Oszillator aus, was platzsparend ist und den Aufwand entsprechend herabsetzt. Die beiden Wicklungen arbeiten genau im Gegentakt, aber synchron mit der Läuferdrehung. Mit Hilfe der Rechteck-Steuersignale lassen sich beim Phasenwechsel die Leistungstransistoren sehr schnell umsteuern.

Des weiteren empfiehlt es sich, daß eine an der Gleichstromquelle angeschlossene Verbindung der Ständerwicklungen mit einem Anschluß der Fühlerspule verbürgen ist Dies führt zu einer sehr geringen Zahl von Motoranschlußleitungen. Für einen zweipoligen Motor benötigt man lediglich vier derartige Leitungen. Dies ist insbesondere für gekapselte Motoren von Interesse, bei denen die Durchführung durch die Kapsel entsprechend einfach gestaltet sein kann.

Die Zeichnungen stellen bevorzugte Ausführungsbeispiele schematisch dar. Es zeigt

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

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

F i g. 3 und 4 verschiedene Ausführungsformen des Kerns der Fühlerspule, F i g. 5 das Schaltbild der Steuerschaltung und

F i g. 6 den Verlauf des Steuersignals in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Läufers vor und nach der Demodulation.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel des bürstenlosen 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 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 Jer 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 diesel Lage des Läufers 9 eine solche Induktion im Kern der Fühlerspule 10 aus, daß die Steuereinheit dem Stellglied 4 ein Steuersignal zuführt. 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 Sder Wicklung 2 stößt den Südpol S des Läufers 9 ab, se daß sich der Läufer 9 in der durch den gekrümmten Teil angedeuteten Richtung zu drehen beginnt. Nach einer halben Umdrehung des Läufers 9 e>o 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 Steüereingang 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 fließt. Der Untere Polschuh des Ständers wird daiter so magnetisiert, daß sein Südpol dem LäufersQdpoI S zugekehrt ist und dem Läufer 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 über die andere Wicklung 3 bzw. 2 und die betreffende Diode 8 bzw. 7 in die Gleichstromquelle 6 transformatorisch entladen. Auf diese Weise ergibt sich ein höherer Wirkungsgrad.

Bei jeder Umdrehung des Läufers 9 wiederholen sich diese Vorgänge.

Nach Fi g. 2 ist der Kern der Fühlerspule 10 bis zum Punkt A auf der BH-Kennlinie vormagnetisiert und das Kernmaterial so gewählt, daß die BH-Kennlinie praktisch rechteckförmig ist Es genügt daher eine verhältnismäßig geringe zusätzliche Durchflutung, um den Kern in die Sättigung zu treiben, in der die Induktivität der Spule praktisch Null ist Diese sprungartige Induktivitätsänderung in der einen oder anderen Richtung wird in der Steuereinheit 11 zur Ableitung der Steuersignale für die Stellglieder 4 und 5 ausgewertet Die Vormagnetisierung sorgt dafür, daß der Kern mit jeder Läuferumdrehüiig 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 Durchste-erung des einen bei gleichzeitiger Sperrung des anderen und eine niedrige Induktivität der Fühlerspule 10 eine Durchsteuerung des anderen bei gleichzeitiger Sperrung des einen der beiden Steuerglieder 4,5 zur Folge.

Der Kern der Fühlerspule 10 kasin nach den F i g. 3 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 der Praxis ist sie so relativ zum Läufer 9 angeordnet, daß sie in der Lage des Läufers, in der die Polachsen von Läufer und Ständer zusammenfallen, bis zum Punkt C oder D magnetisiert ist. Dabei kann die Achse der Fühlerspule 10 auf den Läufer gerichtet sein, z. B. radial oder auf dessen Stirnseite.

Ein Schaltbild der gesamten Steuerschaltung stellt F i g. 5 dar. Ein Oszillator 19 enthält als frequenzbestimm-ndes Glied einen LC-Schwingkreis, dessen Induktivität und Güte durch die Fühlerspule 10 bestimmt wird. In Abhängigkeit von diesen Parametern der Fühlerspule 1O, insbesondere ihrer Induktivität, aber auch ihrer Güte, die wiederum vom Drehwinke' a. des Läufers abhängen, sind die Rückkopplungsfaktoren des Transistor-Oszillators so gewählt, daß die Schwingungen des Oszillators einsetzen oder aussetzen, wie es in F i g. 6 oben dargestellt ist Das heißt, während einer halben Umdrehung des Läufers 9 schwingt der Oszillator mit einer Frequenz von etwa 100 kHz, und während der folgenden halben Umdrehung des Läufers setzen die Schwingungen aus.

In einem dem Oszillator 19 nachgeschalteten Demodulator 20, der Gleichrichter 21, 72 und einen Glättungskondensator 23 aufweist, wird dab Ausgangssignal des Oszillators 19 in ein Rechtecksignal umgesetzt, wie es in Fig.6 unten dargestellt ist. Die Impulsfolgefrequ'-nz des Rechtecksignals entspricht stets der Drehzahl des Läufers, wobei die Oszillatorfrequenz mit etwa löökHz wesentlich höher als die Impulsfolgefrequenz des Rechtecksignali, bzw. die Läuferdrehzahl ist

An den Demodulator 20 schließt sich eine Umkehrstufe 24 mit zwei hlMereiriändergeschalteten Transistoren 25, 26 an, deren kollektorseitige Ausgangssignale ebenfalls rechteckförmige, jedoch um ?80° zueinander

verschoben sind und jeweils über einen Strombegrenzungswiderstand 27, 28 den Eingängen einer Vorverstärkerstufe 29 zugeführt werden.

Die Vorverstäfkerstüfe 29 enthält für jeden Leistungstransistor 4 bzw. 5 einen Vorverstärkungstrarisistor 30 bzw. 31 in Reihe mit einem Strombegrenzungswiderstand 32 bzw. 33. Über diese Vorverstärkungstransistoren 30 und 31 werden die Leistungstransistoren 4 und 5 durch die phasenverschobeneri Rechtecksignale der Umkehrstufe 24 irri Gegentakt voll durchgesteuertj So daß sie die beiden Wicklungen 2, 3 abwechselnd an die Gleichstromquelle 6 legen.

Zwischen der Umkehrstufe 24 und der Vorverstärkerstufe 29 liegt ferner ein Sperrkreis 34. Dieser enthält einen Spannungsteiler, bestehend aus einem festen Widerstand 35, einen einstellbaren Widerstand 36 als Sollwertgeber und einen Thermistor 37. Die am Abgriffpunkt 38 des Spannungsteilers auftretende Spannung steuert über eine Transistoren 39, 40 aufweisende Vorstufe und erforderlichenfalls eine weitere Stufe, die durch die gestrichelt dargestellte Leitung 41 angedeutet ist, parallel zwei als Schalter betriebene Aüsgaiigstfansistoren 42, 43, die ihrerseits mit ihrer koHektor-Emitter-Streeke jeweils im Steuerkreis eines der Vorverstärkungstransistoren 30 und 31 liegen. Je nach dem, ob die Transistoren 42, 43 in Abhängigkeit von der Temperatur des Thermistors 37 gesperrt oder leitend sind, können sich die Ausgangssignale der Umkehrstufe 24 voll in den Eingangskreisen der Vorverstärkungstransistoren 30,31 auswirken oder nicht, so daß der Motor nach Maßgabe der Temperatur angehalten oder angelassen wird.

ίο Bei der bevorzugten Anwendung des Motors in einer Kältemaschine werden die Ausgangssignale der Umkehrstufe 24 bei hoher Temperatur nicht gesperrt. Bei niedriger Temperatur sind die Transistoren 42 und 43 dagegen leitend, so daß die VorVerstärküngstfänsistören 30 und 31 gesperrt sind, weil ihre Basen dann praktisch unmittelbar mit dem positiven Pol der Gleichspännungsquelle 6 in Verbindung stehen. Die Folge ist, daß der Motor anhält. Durch Einschalten einer Umkehrstufe in die Leitung 41 kann der umgekehrte

2ό Betrieb erzielt werden, beispielsweise bei Verwendung des Motors für eine Pumpe in einer Heizungsanlage oder dergleichen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

IO 15 20 Patentansprüche:

1. Steuerschaltung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor, der einen Dauermagnet-Läufer und eine Ständerwicklung, die in Reihe mit einem steuerbaren elektronischen Stellglied an einer Gleichspannungsquelle Hegt, aufweist, mit einem Oszillator, mit einem LC-Schwingkreis, dessen Induktivität durch eine mit einem Kern versehene und zur Erfassung der Drehwinkellage dem Läuferfeld ausgesetzt Fühlerspule bestimmt ist, und mit einem Demodulator, der aus einem vom Oszillator und der Spuleninduktivität abhängigen Schwkigungssignal ein drehwinkellagenabhängiges Steuersignal für das Stellglied ableitet, dadurch gekennzeichnet, daß der LC-Schwingkreis den den Schwingzustand bestimmenden Teil des Osziilators (19) bildet und die Induktivität der Fühlerspule (10) so bemessen ist, daß durch die vom Läuferfeld hervorgerufene Induktivitätsänderung die Schwingbedingung eriüiit wird, so daß bei Drehung des Läufers das Schwingungssignal intermittierend und das Steuersignal rechteckig ist.

2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, bei der der Kern der Fühlerspule sättigbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Sättigung dnrch das Magnetfeld des Läufers erfolgt

3. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern der Fühlerspule (10) vormagnetisiert ist.

4. Steusn. haltung nach Anspruch \ dadurrh gekennzeichnet, daß de·· Kern ^er Fühlerspule einen Dauermagneten (17) aufweist.

5. Steuerschaltung nach e;nem 1er Ansprüche I bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß beim Vorhandensein von zwei abwechselnd über je ein steuerbares elektronisches Stellglied (4, 5) einschaltbaren Ständerwicklungen (2, 3) im Demodulator (20) eine 180°-Phasenverschiebung des Rechteck-Steuersignals bewirkende Umkehrstufe (24) zur Erzeugung des Steuersignals für das zweite Stellglied (fi) nachgeschaltet ist.

6. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis

5. dadurch gekennzeichnet, daß eine an der Gleichstromquelle (6) angeschlossene Verbindung der Ständerwicklungen (2, 3) mit einem Anschluß der Fühlerspule (10) verbunden ist.

der Oszillator-Frequenz, dessen Amplitude von der Gesamtimpedanz des Reihenschwingkreises abhängt Die Impedanz kann durch Vorbeiführen eines Permanentmagneten geändert werden. Sie kann aber auch durch eine Änderung der Kapazität oder der Spannung oder Frequenz des Oszillators geändert werden. In allen Fällen ist es beabsichtigt, daß ein stabiler Arbeitspunkt, bei dem nur ein kleiner Strom fließt, durch die genannte Änderung zu einem anderen stabilen Arbeitspunkt überwechselt, bei dem ein größerer Strom fließt Da dauernd ein Strom fließt, müssen die zu steuernden Leistungstransistoren zwischen zwei unterschiedlichen Strömen unterscheiden können. Dies erfordert eine sehr sorgfältige Anpassung der Schaltungsbestandteile. Außerdem ergibt sich, wenn dauernd ein Strom fließt, •sine entsprechende Verlustleistung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuerschaltung der eingangs genannten Art anzugeben, die bei einfachem Aufbau einen hohen Wirkungsgrad sicherstellt

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst,