DE2532650C2

DE2532650C2 - Bürstenloser Gleichstrommotor

Info

Publication number: DE2532650C2
Application number: DE19752532650
Authority: DE
Inventors: Gerd 6900 Heidelberg Ruff
Original assignee: Teldix GmbH
Current assignee: Rockwell Collins Deutschland GmbH
Priority date: 1975-07-22
Filing date: 1975-07-22
Publication date: 1985-08-01
Also published as: DE2532650A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen bürsienlosen Gleichstrommotor nach dem Oberbegriff ties Anspruchs I.

Problemstellung

Bei derartigen Motoren werden die durch ilen sich drehenden Rotor in Wicklungen indu/ierten Spamuin-

gen verwendel, um die Kommutierung des Stromes von einer Wicklungsphase zur anderen durchzuführen. Bei stehendem Rotor kann jedoch auf diese Weise die Kommutierung nicht erfolgen, so daß zum Anlaufen des Rotors weitere Mittel vorgesehen werden müssen. So ist gemäß dem Hauptpatent 24 28 718 eine Schaltvorrichtung vorgeschlagen worden, mittels welcher wenigstens eine Phase der Statorwicklung ansteuerbar ist, um den Rotor in eine Ruhelage zu stellen, und mittels welcher vorzugsweise eir.c Phase der Statorwicklung fü? eine vorwählbare Zeitdauer ansteuerbar ist, um den Rotor aus der Ruhelage heraus in einer vorgegebenen Drehrichtung zum Anlaufen zu bringen. Bei dieser oder auch bei anderen Vorrichtungen besteht jedoch die Gefahr, daß während des Anlaufens eine »falsche« Wicklungsphase angesteuert wird, so daß der Rotor entgegen der vorgewählten Drehrichtung anläuft Falsche Wicklungsphase bedeutet hierbei, eine andere als die der momentanen Rotorstellung entsprechende und zur Erzielung einer bestimmten Drehrichtung anzusteuernde Wicklungsphase.

Aufgabe und Lösung

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit geringem Aufwand derart auszubilden, daß der mit Sicherheit in der vorgegebenen Drehrichtung anläuft. Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Kennzeichens des ersten Patentanspruchs gelöst.

Vorteile und Weiterbildungen

Der erfindungsgemäße Gleichstrommotor zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau aus, wobei mit einem geringen Schaltungsaufwand der Anlauf in einer vorgegebenen Drehrichtung gewährleistet wird. Fehlersigna-Ic. welche sonst während des Rotorlaufes über die Kommulierungseinrichtung eine falsche Drehrichtung verursachen können, werden in vorteilhafter Weise unterbunden. Dies wiro bevorzugt mittels der Steuereinrichtung erreicht, welche für eine vorwählbare Zeitdauer ein Signal erzeugt, um beispielsweise die Eingänge von Verstärkern der Kommutierungseinrichtung auf Massepolential zu legen. Während der genannten Zeit, welche ohne weiteres den durch die sonstige Motorparameter vorbestimmten Zeiten anpaßbar ist, weiden mittels der Schaltvorrichtung definierte Signale auf die Kommutierungseinrichtung oder auf nachgeschaltete Verstärker gegeben zwecks Durchführung des Aniaufvorganges. Das genannte erste Signal wird bevorzugt aus den Signalen gebildet, welche sowieso für das Anlaufen des Rotors erforderlich sind. Die letzteren Signale werden mittels Zcitgliedern erzeugt und werden in einer bevorzugten Ausbildung mittels logischen Bausteinen lediglich verknüpft, um somit das genannte erste Signal zu erhalten. In einer bevorzugten Aus.führungsform enthält (tie Steuereinrichtung einen Lagesensor sowie ein Zeitglied, um den Rotor kurzzeitig in Drehung <u versetzen. Hierdurch wird der Anlauf stark verkürzt, da keine Beruhigungszeit für den Rotor abgewartet werden muß, sondern über den Lagesensor sofort das Signal zur Ansteuerung einer Wicklungsphasc gegeben werden kann.

Aiisfiihrungsbeispielc

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten und bevorzugten Ausführungsbeispielc näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel enthaltend eine Schaltvorrichtung um die Eingänge der Differenzverstärker einer Kommutierungseinrichtung während des Anlaufensauf Masse zu legen,

Fig.2 ein Ausführungsbeispicl ähnlich Fig. 1, wobei die Schaltvorrichtung einen als Zeilglied wirkenden integrierten Schaltkreis enthält,
Fig.3 ein weiteres Ausführungsbeispiel, wobei die

ίο Schaltvorrichtung einen Sensor zur Erfassung der Rotorstellung aufweist

In F i g. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines bürstenlosen Gleichstrommotors mit einer dreiphasigen Statorwicklung dargestellt, wobei die drei Wicklungsphasen 21 bis 23 in Stern geschaltet sind und die gemeinsamen Enden an einer Spannungsquelle Um liegen. Der nicht dargestellte Rotor enthält Permanentmagnete derart, daß, falls die genannten Wicklungsphasen in geeigneter Weise von Strom durchflossen werden, auf den Rotor in bekannter Weise ein Drehmoment wirksam wird. Es ist auf dem Stator des Moto- ■ weiterhin eine Sieuerwicklufig mii den Phasen 24, 25, 26 vorgesehen, welche in bezug auf die Statorwicklung einen entgegengesetzten Wicklungssinn aufweist und ebenfalls in Stern geschaltet sind. Die freien Enden der Steuerwicklung sind auf ein zu einem Ring verbundenen Widerstandsnetzwerk 30 bis 35 geschaltet, wobei jeweils zwei Widerstände zwischen zwei freien Enden liegen. Die anderen Verbindungspunkte zweier benachbarter Widerstände sind über weitere Widerstände 3P bis 38 sowie nachgeschaltete Widerstände 39 bis 41 auf erste Eingänge von drei Differenzverstärkern 42 bis 44 geführt. Parallel zu den Widerständen 30,36 bzw. 32,37 bzw. 34,38 sind Dioden 45 bis 47 derart angeordnet, daß die Kathoden jeweils auf die freien Enden der Steuerwicklung geschaltet sind. Die zweiten Eingänge der Differenzverstärker 42 bis 44 liegen über Widerstände 50 bis 52 an einem ohmschen Spannungsteiler 48, 49, an welchem ebenfalls der Sternpunkt der Steuerwicklung 24 bh 26 liegt. Der Spannungsteiler sowie noch zu beschreibende Schaltungsteile sind mil einer Spannungsqucllc Ui verbunden, wobei in der Zeichnung der Einfachheit halber dieses mit einem Η— Zeichen dargestellt ist. Die Ausgänge der Differenzverstärker sind über Widerstände 56 bis 58 auf die Basis jeweils eines Leistungstransistors 59 bis 61 geführt, deren Kollektoren jeweils mit einer Phase 21 bis 23 der Statorwicklung verbunden ist. Es ist weiterhin eine Steuereinrichtung 63 vorgesehen, welche mittels eines Schalters 64 einschaltbar ist und drei Ausgänge 65 bis 67 aufweist. Diese Steuereinrichtung enthält Zeitglicder und Gatterkombinalioncn derart, daß nach Betätigung des Schalters 64 zum Zeitpunkt ίο am Ausgang 65 ein Signal für eine Dauer h—h. am Ausgang 6f ;i.n Signal für die Dauer ίο— ίι und am Ausgang 67 ein Signal für die Dauer U — h ansteht. Der Ausgang 65 ist mit der Basis eines Transistors 68 verbunden, an dessen Kollektor drei Dioden 70 bis 72 angeschlossen sind, wobei deren Anoden an die ersten Eingänge der genannten Differenzverstärker angeschlossen sind. Der Ausgang 66 ist mit uer Basis eines Transistors 76 verbunden, dessen Kollektor über Dioden 77 mit der Basis der Leistungstransistoren 59, 60 verbunden ist. In gleicher Weise ist der Ausgang 67 über einen Tiansistor 74 über eine Diode 75 mit dem Leistungstransistor 61 vcr-

bj bunden. Die Funktionsweise der angegebenen Schaltung ist folgende: Durch Einschalten der Steuereinrichtung 63 mittels des Schalters 64 wird der Transistor 68 für die Zeit in — /2 durchgeschaltet, so daß die ersten

Eingänge der Differenzverstärker 42 bis 44 auf Masse gelegt werden. Somit wird gewährleistet, daß während der genannten Zeit keine Signale an den Ausgängen der Differenzverstärker entstehen können, so daß auch keine »falsche« Wicklungsphase angesteuert werden kann. -. Das Signal am Ausgang 66 bewirkt über den Transistor 76, daß die Leistungstransistoren 59, 60 und die Wieklungsphascn 21, 22 während der Zeit In-I₁ von einem Strom durchflossen werden. Hierdurch wird der mit Permanentmagneten versehene Rotor in eine definierte ι» Ruhelage gebracht. Nach Ablauf der Zeit t, verschwindet das Signal des Ausgangs 66 und die Leistungstransistoren 59, 60 sperren wieder und über das Signal des Ausganges 67 wird für die Zeit t, bis t₂ der Leistungstransistor 61 angesteuert. Damit erhält der Rotor einen Drehimpuls und läuft aus der Ruhestellung in der vorgegebenen Drehrichtung an. Es sei darauf hingewiesen, daß die Zeiten ίο—': und ii — i_> derart eingestellt sind, daß der Rotor sicher srinp Ruhestellung einni:"™! und der Strom durch die Phase 23 nur solange fließt, wie es zur Erzeugung eines antreibenden Drehimpulses erforderlich ist. Es sei davon ausgegangen, daß der genannte Drehimpuls auf den Rotor stark genug ist, um nun in der Steuerwicklung 24 bis 26 ausreichend große Spannungen zu induzieren, welche nunmehr über das Wider-Standsnetzwerk sowie die Differenzverstärker die Kommutierung bewirken. Aufgrund der symmetrischen Anordnung der Steuerwicklung auf dem Stator des Motors induziert der drehende Rotor in den Phasen 24 bis 26 jeweils um 120" el versetzte Spannungen, welche wie für die Wicklungsphasc 21 kurz erläutert werden soll die Kommutierung bewirken. Mittels der benachbarten Widerstände 30, 31 wird aus den Spannungen der Steuerphase 24 und 26 der Mittelwert gebildet und zwar entsprechend des Widerstandsverhältnisses. Überschreitet der genannte Mittelwert das durch den Spannungsteiler 48, 49 gebildete Bezugspotential, so erscheint am Ausgang des Differenzverstärkers 42 ein positives Signal und die Phase 21 wird durchgeschaltet. Wird der Mittelwert größer als die Spannung der Phase 24, so wird diese Spannung über die Diode 45 auf den Eingang des Verstärkers 42 gelegt. Unterschreitet die Spannung der Phase 24 das Bezugspotential, wobei der Vollständigkeit halber noch der Spannungsabfall der Diode 45 zu berücksichtigen ist. so wird die Phase 21 gesperrt. Durch entsprechende Dimensionicrung der Widerstände 30,31 kann der Einschaltzeitpunkt der Phase 21 und auch die Einschaltdauer vorgegeben werden, so daß praktisch alle gewünschten Motor- und Drchzahlcharakteristiken realisierbar sind. Entsprechendes gilt für die Wicklungsphasen 22, 23. Fills der oben angegebene Drehimpuls nicht stark genug ist um den Rotor in ausreichender Weise zu beschleunigen, wird die Steuereinrichtung dahingehend erweitert, daß nach Ablauf der Zeit (2 weitere Signale zum Ansteuern der Leistungstransistoren erzeugt. Die in F i g. 1 dargestellte Schaltung kann gegebenenfalls auch dahingehend modifiziert werden, daß die Dioden 70 bis 72 jeweils vor die Widerstände 39 bis 41 geschaltet werden und die Dioden 75,77,78 entsprechend auf die Eingänge der Differenzverstärker geführt werden, so daß in vorteilhafter Weise auch die Transistoren 74.76 entfallen können.

F i g. 2 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbcispiel des bürstcnloscn Gleichstrommotors, bei welchem die zur Kommutierung erforderlichen Spannungen aus der Statorwicklung ausgekoppelt werden und auf ein Widerstandsnetzwerk entsprechend Fig. 1 geführt werden. Sich entsprechende Bauteile aus F i g. 1 und 2 sind mit <Ι«ίί gleichen Bczugszeichen versehen. I sind wiederum Differenzverstärker 80 bis 82 vorgcsi hen. welche über Transistoren 83 bis K5 mit den Le stungstransisioren 69 bis 61 verbunden sind. Die Au gange 66, 67 der Meuereinnchiiinj: 63 sind über Duxle 86 bis 88 auf die Hasis der genannten Transistoren ge führt. Die Steuereinrichtung 63 enthält einen intcgrici ten Schaltkreis 89 vom Typ SN 74 12J N der Firma Texas Instruments, welcher bistabile Kippstufen darstell Der Schaltkreis ist außen mittels zweier W-Glieder 90 91 und 92, Hi beschältet, wobei durch geeignete Dirnen sionierung der genannten ÄC-Gliecler die Zeiten /»— I bis ii sehr einfach den Erfordernissen angepaßt werde/ können. Die mit 5 und 9 bezeichneten Ausgange de Schaltkreises 89 sind über ein ODF.R-Gatter auf tie/ Ausgang65 geführt. Die Funktionsweise dieses Ausfiih rungsbeispiels entspricht im wesentlichen der ties erste/ Ausführiingsbeispieis.

in ί i ^. 3 Im L-i/i Ausiühriingsbeispiei dargestellt, iihn lieh wie Fig. I. jedoch mit einer Steuereinrichtung ent haltend einen induktiven Lagesensor 100 und einen Os zillator 101. Der Lagesensor ist auf dem Stator angeord net und enthalt zwei Wicklungen 102, 103 deren Kopp lung mittels einer auf dem Rotor angeordneten Metallfahne 104 veränderbar ist. je nach Stellung des Rotors werden somit die Oszillatorschwingungen über die Wicklung 103 auf den Transistor 105 wirksam, so daß diese; Signale auf den Eingang des Differenzverstärkers 44 leitet und die Wicklungsphasc 23 ansteuert. Es ist weiterhin eine erste Zeitschaltung vorgesehen mil einem ersten /?OGIied 107, 108 zur Erzeugung eines Si gnals während der Zeil U, bis f>. mit welchem ein Transistör 109 ansteuerbar ist und die Widerstände 39 bis 41 auf Masse gelegt werden können. Eine zweite Zeitschaltung enthält ein /?C-Glied 110, 111 zum Ansteuern der Differenzverstärker 42,43 für eine Zeit Λ> bis ;_p.

Die Funktionsweise des Atisführiiiigsbcispieis gc-ϊΤϊ.ϊϋ F i g. 3 wird nachfolgend erläutert. Durch Betätigung des Schalters 106 wird die Steuereinrichtung eingeschaltet, wobei die zweite Zeitschaltung ein Signal für eine Zeitdauer fo bis t\ abgibt zum Ansteuern der Differenzverstärker 42, 43 und somit der Phasen 21, 22. Dieses Signal dient nicht wie in den vorherigen Beispielen dazu den Rotor in eine definierte Ruhelage zu zwingen, sondern lediglich dazu, den Rotor in irgendeiner Richtung zu drehen. Die Zeitdauer /1 ist in diesem Ausführiingsbeispiel wesentlich kürzer. Aufgrund der genannten Drehung wird die Metalllahnc 104 die Kopplung der Sensorwicklungen 102, 103 bald ändern, so daß der Transistor 105 durchschaltet und ein erstes Signal auf den Eingang des Differenzverstärkers 44 gibt zum Ansteuern der Phase 23. Der Rotor enthält dabei einen ersten starken Drehimpuls. Aufgrund der vorgegebenen geometrischen Zuordnung von Sensor 100 zur Statorphase 23 ist auch die Drehrichtung des Rotors vorgegeben. Falls der Rotor bei Betätigung des Schalters 106 bereits eine solche Lage einnimmt, daß die Phase 23 angesteuert wird, werden zwar auch die Phasen 21, 22 angesteuert, doch hat dies aufgrund der gewählten kurzen Zeitdauer t₀ bis r, keinen störenden Einfluß auf das Anlaufen des Rotors. Gegebenenfalls kann ohne weiteres noch eine Galterkombination vorgesehen werden, mit welcher die Signale der zweiten Zeitschaltung unterdrückt werden. Mittels der ersten Zeitschaltung werden zusätzlich für die Zeit.'_;: bis .'? die Widerstände 39 bis 41 auf Masse gelegt, so daß während des Anlaufens keine Störsignale auf die Eingänge der Differenzverstärker gelangen können. Die mit dem genannten ersten

Drehimpuls eingeleitete Drehung des Rotors bewirkt, daß bald danach das Signal des Transistors 105 verschwindet. Der Drehimpuls reicht jedoch aus um den Kotor weiter zu drehen bis wiederum mittels des Sensors 100 ein Signal zur Ansteuerung der Chase 23 er- ■-, /ιιιμί wird. Dieses Spiel wiederholt sich so lange, bis tier KdIiIf eine ausreichend grol.te Drehgeschwindigkeit aufweist, um wie oben bereits beschrieben, in der SieuerwicMdng 24 bis 26 Spannungen zu induzieren, welche dann die vollständige Kommutierung gewährleisten. in

Obgleich die dargestellten Ausführungsbeispiele sich auf Gleichstrommotoren mit dreiphasiger Statorwicklung bezichen, sei ausdrücklich darauf hingewiesen, daß die Erfindung auch Gleichstrommotoren mit anderen l'hasenzahlen umfaßt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

20

40

45

50

60

65

Claims

Patentansprüche:

1. Bürstenloser Gleichstrommotor, enthaltend einen Rotor mit Permanentmagneten, eine mehrphasige, mittels einer Kommutierungseinrichtung ansteuerbare Statorwicklung, wobei der Kommutierungseinrichtung in Abhängigkeit von durch den drehenden Rotor induzierten Spannungen Stellungssignale zugeführt werden und wobei die Kommutierungseinrichtung mit einer Schaltvorrichtung verbunden ist, mittels der Schaltvorrichtung während des Anlaufs derart Signale erzeugt werden, daß der Rotor durch Ansteuerung vorgegebener Phasen der Statorwicklung in die Ruhelage gestellt wird und an- is schließend wenigstens eine Phase für eine vorwählbare Zeitdauer angesteuert wird, um den Rotor in einer vorgegebenen Drehrichtung zu drehen nach Patent 24 28 718. dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltvorrichtung (63—68, 74—78) eine Zeitglieöer enthaltende Steuereinrichtung (63) aufweist, welche mit der Kommutierungseinrichtung (42, 43, 44) derart verbunden ist, daß für eine vorwählbare Zeit innerhalb des Anlaufs die Kommutierungseinrichtung (42,43,44) unwirksam ist

2. Bürstenloser Gleichstrommotor nach Anspruch

1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (63) einen ersten Ausgang (65) aufweist, an welchem für die genannte Zeitdauer ein erstes Signal ansteht, und daß weitere Ausgänge (66, 67) vorhanden sind, an welchem für vorwählbare Zeiten Signale anstehen, mittels welcher die Statorwicklungen (21, 22, 23) ansteue-rbar si- i, um den Rotor zum Anlaufen zu bringen.

3. Bürstenloser Gleichstron notor nach Anspruch

2, wobei die Kommutierungseinrichtung Differenzverstärker (42, 43, 44) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Ausgang (65) der Steuereinrichtung (63) vorzugsweise über einen Transistor (68) und Dioden (70. 71, 72) mil den Eingängen der genannten Differenzverstärker (42, 43, 44) derart verbunden sind, daß die Eingänge während der genannten ersten Zeitdauer auf Massepotential liegen und daß die weiteren Ausgänge (66,67) über Transistoren (74, 76) und Dioden (75, 77, 78) mit Vorzugsweise als Leistungstransistoren ausgebildeten Verstärkern (59, 60, 61) verbunden sind, welche der Kommutierungseinrichtung nachgeschaltet sind und zum Ansteuern der Statorwicklung (21, 22, 23) dienen.

4. Bürstenloser Gleichstrommotor nach Anspruch 2, wobei die Kommutierungseinrichlung Differenzverstärker (42, 43, 44) aufweist, weichen Widerstände (39, 40, 41) vorgeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Ausgang der Steuereinrichtung über einen Transistor (109) und Dioden mit den Eingängen der genannten Widerstände (39, 40, 41) derart verbunden sind, daß diese während der genannten ersten Zeitdauer auf Massepotential liegen, und daß die weiteren Ausgänge über Transistoren mi und Dioden mil den F.itigiingcn der Verstärker (42, 43,44) verbunden sind.

5. Htirstenloser Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadrrch gekennzeichnet. da(3 die vorwiihlbare Zeitdauer des ersten Signals gleich h> oder größer ist als die Summe der Zeiten der weiteren Signale.

b. HiirsUMiloser Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kommutierungseinrichtung ein zu einem Ring geschaltetes Widerstandsnetzwerk (30—35) aufweist, welches mit den freien Enden der Phasen einer Steuerwicklung (24, 25, 26) oder der Stalorwicklung verbunden ist. wobei zwischen den genannten Enden jeweils zwei der genannten Widerstände liegen, deren Mitienabgriffe über einen weiteren Widerstand (36, 37, 38) jeweils nil einem Eingang eines Differenzverstärkers (42, 43, 44) verbunden sind, und daß die genannten freien Enden über in Sperrichtung geschaltete Dioden (45,46,47) auf die genannten Eingänge geführt sind.

7. Bürstenloser Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (63) wenigstens zwei Zeilglieder aufweist zur Erzeugung von unabhängig von einander vorwählbaren Signalen, und daß mittels logischer Verknüpfung ein die Summe der genannten Signale darstellendes Signal am ersten Ausgang (65) erzeugt wird.

8. Bürstenloser Gleichstrommotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Zeitglieder zwei bistabile Kippstufen aufweisen, welche vorzugsweise in einem integrierten Schaltkreis enthalten sind, und daß die Zeiten mittels zweier RC-Glieder(107, IJrS; 110,111) vorwählbar sind.

9. Biirstenloscr Gleichstrommotor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung einen auf dem Stator derart angeordneten Lagesensor (100) aufweist, daß für vorgegebene Lagen des Rotors bezüglich des Stators Signale erzeugbar sind, um den Rotor in der vorgegebenen Drehrichtung zum Anlaufen zu bringen.

10. Bürstenloser Gleichstrommotor nach Anspruch 9, wobei die Kommutierungseinrichtung Differenzverstärker (42, 43, 44) aufweist, welchen Widerstände (39, 40, 41) vorgeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagesensor (100) mit dem Eingang eines Differen/.versiärkers (44) verbunden ist, daß das genannte Zeitglied mit den Eingängen der übrigen Differenzverstärker (42, 43) verbunden ist und daß ein weiteres Zeitglied vorzugsweise über einen Transistor (109) und Dioden mit den genannten Widerständen (39,40,41) verbunden ist.

11. Bürstenloser Gleichstrommotor nach Anspruch 9 oder 10. dadurch gekennzeichnet, daß der Lagesensor (ICO) zwei Wicklungen (102, 103) aufweist, deren Kopplung vorzugsweise mittels einer auf dem Rotor angeordneten Metallfahne (104) veränderbar ist. wobei die erste Wicklung (102) in einem an sich bekannten Oszillator (101) enthalten ist, und die zweite Wicklung (103) über einen Transistor (105) mit dem Eingang des genannten Differenzverstärkers (44) verbunden ist.