DE2539625A1

DE2539625A1 - Buerstenloser dreiphasen-gleichstrommotor

Info

Publication number: DE2539625A1
Application number: DE19752539625
Authority: DE
Inventors: Kinzo Wada
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 1974-09-07
Filing date: 1975-09-05
Publication date: 1976-03-25
Also published as: DE2539625B2; JPS5130311A; US4025835A; JPS5812838B2

Description

München, 5. September 1975

Victor Company of Japan, Limited Yokohama City, Japan

Bürstenloser Dreiphasen-Gleichstrommotor

Die Erfindung betrifft einen bürstenlosen Gleichstrommotor und bezieht sich insbesondere auf einen dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotor mit einem Permanentmagnet-Rotor und Hall- Elementen zur Kommutierung des Statorstroms.

Bei einem bekannten bürstenlosen Dreiphasen-Gleichstrommotor werden Hall-Elemente bzw. Halleffekt-Einrichtungen verwendet,

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die jeweils mit jeder der drei Statorwicklungen verbunden sind, um die Kommutierung der Wicklungsströme zu bewirken. Die Betriebseigenschaften der Hall-Elemente, insbesondere das Gleichstrompotential an den die Hall-Spannung liefernden Elektroden unterscheiden sich bei den einzelnen Elementen voneinander. Die ungleichförmigen Eigenschaften würden in unterschiedlichen Wicklungsströmen und Kommutierungsabschnitten resultieren. Je größer die Zahl der verwendeten Hall-Elemente ist, um so schwieriger wird es demzufolge, eine gleichmäßige Kommutierung der Ströme und Intervalle herbeizurufen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten bürstenlosen Dreiphasen-Gleichstrommotor zu schaffen, bei dem die Kommutierung durch zwei Hall-Elemente bewirkt wird.

Jedes Hall-Element weist erfindungsgemäß ein Paar stromsteuernde Elektroden und ein Paar die Hall-Spannung liefernde Elektroden auf. Der erfindungsgemäße bürstenlose Dreiphasen-Gleichstrommotor verwendet zwei Hall-Elemente, die gegeneinander elektrisch um 120 versetzt sind, sowie drei Leistungstransistoren, und wird von einer Gleichspannung gespeist. Jeweils ein Ende der drei Statorwicklungen sind gemeinsam an einen positiven Anschluß der Gleichspannungsquelle angeschlossen, während die anderen Enden über den Kollektor-Emitter-Kreis des zugeordneten Leistungs-

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transistors an einen negativen Anschluß der Gleichspannungsquelle angelegt sind. Die Basiselektroden des ersten und zweiten Leistungstransistors liegen über eine Spannungsteilerund Ausgleichs- bzw. Abgleichschaltung an einer der die Hall-Spannung liefernden Elektrodenan. Die Basiselektrode des dritten Transistors ist Über ein kombinierendes Widerstandsnetzwerk an die anderen, die Hall-Spannung liefernden Elektroden der Hall-Elemente angeschlossen.

Das Netzwerk zur Spannungsteilung und zum Ausgleich bzw. Abgleich enthält eine Vielzahl von Widerständen, die nach Art einer gekreuzten Brücke zusammengeschaltet sind. Eine Brücken- · schaltung des Netzwerks liegt zwischen den Basiselektroden der ersten und zweiten Transistoren und bildet über die die Hall-Spannung liefernden Elektroden der beiden Hall-Elemente einen Kreis, um die sinusförmigen Hall-Spannungen zu teilen, während die andere Brückenschaltung, die über die stromsteuernden Elektroden geschaltet ist, das Gleichspannungspotential an den die Hall-Spannung erzeugenden Elektroden auf einem gleichförmigen Potential hält.

Das kombinierende Widerstandsnetzwerk enthält ein Paar in Serie geschaltete Widerstände mit gleichem Widerstandswert; die Ver-

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bindung zwischen den beiden Widerständen ist an die Basiselektrode des dritten Leistungstransistors gekoppelt.

Die Werte dieser Widerstände der beiden Netzwerke sind derart gewählt, daß der Kreuzungspunkt des Netzwerkes auf einem Potential gehalten wird, welches gleich der Hälfte der Spannung ist, die an den stromsteuernden Elektroden der Hall-Elemente anliegt, infolgedessen sinusförmige Hall-Spannungen mit gleicher Amplitude an die Basiselektrode der zugeordneten Leistungstransistoren angelegt werden.

Die sinusförmigen Hall-Spannungen, die von den Hall-Elementen erzeugt werden, sind um 120 gegeneinander phasenverschoben. Ein Schalten tritt in den ersten und zweiten Transistoren somit beim Vorliegen der um 120 phasenverschobenen Hall-Spannungen auf. Die Basiselektrode des dritten Transistors empfängt ein Signal, welches eine Vektorsumme der sinusförmigen Hall-Spannungen darstellt, wobei diese Hall-Spannungen ein umgekehrtes Phasenverhältnis gegenüber denjenigen Spannungen besitzen, die an die ersten und zweiten Transistoren angelegt werden, so daß das Schalten in dem dritten Transistor gerade um 120 außerphasig gegenüber den ersten und zweiten Transistoren erfolgt.

Im folgenden werden bevorzugte Ausfuhrungsformen der Erfindung zur Erläuterung weiterer Merkmale anhand von Zeichnungen veranschaulicht.

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Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines bürstenlosen Gleichstrommotors nach der Erfindung mit drei Statorwicklungen und zwei Hall-Elementen/

Fig. 2 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen bürstenlosen Gleichstrommotors/

Fig. 3 eine schematische Ansicht einer gegenüber Fig. 1 abgewandelten Ausfuhrungsform mit sechs Wicklungszweigen, die gegeneinander um 120 versetzt sind/

Fig. 4 ein Vektordiagramm der von den Hall-Elementen gelieferten Spannungen.

Nach den Figuren 1 und 2 weist der Stator 10 des bürstenlosen Gleichstrommotors Windungen Wl bis V/3 auf. Der Permanentmagnet-Rotor 12 des Motors besitzt diametral einander gegenüberliegende Pole N und S. Zwei Halleffeki^Einrichtungen Hl und H2 sind in der Nähe der zugeordneten Statorwicklungen WI und W 2 angeordnet und um einen Winkel von 120 elektrisch gegeneinander versetzt.

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Ein Ende der Statorwicklungen W 1 bis W3 sind gemeinsam an den Anschluß mit positiver Polarität einer nicht dargestellten Gleichspannungsquelle angeschlossen, während das andere Ende der Statorwicklungen mit der Kollektorelektrode eines entsprechenden Leistungstransistors TI bis T3 verbunden ist, wobei diese Leistungstransistoren Darlington-Verstärker sein können. Es ist zu beachten, daß die Halleffekt-Einrichtung H2 an der Stelle 13 in Fig. 1 angeordnet sein kann, die gegenüber der Halleffekt-Einrichtung HI um 300° (120°+ 180°) elektrisch versetzt ist. Wenn jede Statorwicklung W 1 bis W3 ein Wicklungspaar α und b entsprechend der Darstellung in Fig. 3 aufweist, die in Serie oder parallel geschaltet sind, umfaßt der Rotor zwei Paare magnetischer Pole und die Halleffekt-Einrichtungen HI und H2 können gegeneinander um 120+180 · η versetzt sein, wobei η — U, I, /Lf ο ·.. .

Die Emitter-Elektroden der Leistungsverstärker Tl bis T3 sind gemeinsam Über einen Widerstand RO an den Anschluß mit negativer Polarität der Gleichspannungsquelle angeschlossen.

Damit die Leistungstransistoren TI bis T3 durch die Halleffekt-Einrichtungen gesteuert werden, sind die Basiselektroden der Leistungstransistoren TI und T2 Über einen Widerstand R3 bzw. R4 an eine der die Hall-Spannung aufweisende Elektrode der Halleffekt-Ein-

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richtungen HI und H2 angeschlossen. Die anderen Elektroden der Einrichtungen Hl und H2 mit der Hall-Spannung sind durch Widerstände Rl und R2 mit gleichem Wert miteinander verbunden. Die Basiselektrode des Transistors T3 liegt an der Verbindung zwischen den Widerständen Rl und R2 an.

Die Steuerstromelektroden der Hall-Elemente Hl und H2 stehen über Widerstände Ra und Rb sowie über den Kollektor-Emitter-Weg eines Transistors 4 zur Geschwindigkeitssteuerung mit dem positiven Anschluß der Gleichspannungsquelle in Verbindung. Die anderen Stromsteuerelektroden der Hall-Elemente liegen über Widerstände Rc und Rd sowie über einen variablen Widerstand VR an dem negativen Anschluß der Spannungsquelle an. Die Basiselektrode des Transistors T4 ist an eine geeignete Quelle 13 zur Geschwindigkeitssteuerung angeschlossen. Die Widerstände Ra, Rb, Rc und Rd sind zur Einstellung der Stromwerte vorgesehen, welche die Hall-Elemente Hl und H2 und deren Stromsteueranschlüsse durchfließen, so daß die Elemente Hl und H2 ein gleiches Gleichspannungspotential an ihren Hall-Spannungselektroden liefern. Wenn die Hall-Elemente Hl und H2 gleiche Arbeitscharakteristiken besitzen, sollten die Widerstände Ra bis Rd gleiche Widerstandswerte haben. Diese Widerstände müssen jedoch sorgfältig ausgewählt werden, falls die Hall-Elemente unterschiedliche Arbeitscharakteristiken besitzen, damit

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diese Hall-Elemente an den Anschlüssen für die Hall-Spannung eine gleichförmige Gleichspannung liefern.

Zwischen den Basiselektroden der Leistungstransistoren liegen Widerstände R5 und R6; ein weiteres Widerstandsnetzwerk mit in Serie geschalteten Widerständen R7 und R8 mit gleichem Widerstandswert liegt zwischen einem Punkt P und einem Punkt Q, wobei die Widerstände Ra und Rb an den Punkt P angeschlossen sind und der Abgriffspunkt des variablen Widerstands VR an den Punkt Q angelegt ist. Die Widerstände R3 und R5 besitzen gleiche Werte und die Widerstände R4 und R6 besitzen ebenfalls gleiche Werte. Der Mittelpunkt des V/iderstandsnetzwerkes R5, R6 und der Mittelpunkt des Widerstandsnetzwerks R7, R8 sind an der mit S bezeichneten Stelle verbunden. Die Widerstände R3 bis R6 sollten einen Widerstandswert haben, der größer als der des Widerstands R7 ist.

Wenn die Hall-Elemente HI und H2 derart ausgelegt sind, daß sie an ihren Anschlüssen eine gleichförmige Gleichspannung liefern, dann werden von den entgegengesetzten Spannungselektroden der Hall-Elemente Hl bzw. H2 sinusförmige Spannungen e.', -el und e', -el abgegeben. Die Spannungen el und el haben die gleiche Amplitude, sind jedoch um 120 gegeneinander phasenverschoben.

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Eine sinusförmige Spannung e„, welche die Vektorsumme der Spannungen -ei und -e' darstellt, wird am Punkt G zwischen den Widerständen Rl und R2 erzeugt und an die Basis des Transistors T3 (vergl. Fig. 2 und 4) angelegt. Die Spannung e_ ist gegenüber e! und e' um 120 außerphasig und besitzt eine Amplitude, die halb so groß ist wie die der Spannungen e' oder e', da sie am Mittelpunkt der Widerstände Rl und R2 mit gleichem Widerstand abgegeben wird.

Wenn das Gleichspannungspotential am Kreuzungspunkt S auf einer Spannung gehalten wird, die halb so hoch ist wie die Spannung zwischen den Punkten P und Q, sind die Gleichspannungspotentiale an den die Hall-Spannung liefernden Elektroden der Hall-Elemente Hl und H2 im wesentlichen gleich dem Potential am Punkt S. Unter diesen Voraussetzungen wird am Punkt S praktisch keine sinusförmige Spannung erzeugt. Der variable Widerstand VR kann so eingestellt werden, daß er jede Abweichung des Gleichspannungspotentials gegenüber dem erwünschten Spannungspegel an den die Hall-Spannung liefernden Elektroden kompensiert.

Das Widerstandsnetzwerk R5, R6 hat nicht nur die Funktion , das Gleichspannungspotential am Punkt S auf dem zum Potential zwischen den Punkten P und Q gleichen Potentialwert zu halten₍ sondern liefert auch sinusförmige Hall-Spannungen e, und e_ mit

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einer Amplitude, die halb so groß ist wie die Amplitude der sinusförmigen Hall-Spannungen e' bzw. e".

Es ist somit ersichtlich, daß die sinusförmigen Hall-Spannungen -e' und -el durch ein Kombinationsnetzwerk kombiniert bzw. zusammengefaßt werden, welches aus den Widerständen . Rl und R2 besteht, während die sinusförmigen Hall-Spannungen e' und el durch ein Teilernetzwerk (Frequenzteilerschaltung) unterteilt werden, welches aus den V/iderständen R3, R5 und R4, Ro besteht. Ein Ausgleichsnetzwerk, das aus zwei V/iderständen R7 und R8 mit gleichen Widerstandswerten besteht, ist nach Art einer Brücken-Kreuzschaltung an das Teilernetzwerk zwischen die Punkte P und · Q angeschlossen. Hierdurch wird der Gleichgewichtszustand am Kreuzungspunkt der Brückenschaltungen eingehalten, wodurch hier praktisch keine sinusförmige Spannung auftritt.

Die Punkte P und Q können außerdem über eine Diode mit Zenerdurchbruch bzw. eine Zenerdiode ZD miteinander verbunden sein, um die Spannung zwischen den Steuerstromanschlüssen der Hall-Elemente Hl und H2 auf einem konstanten Wert zu halten, so daß die Gleichspannungspotentiale an den die Hall-Spannung liefernden Elektroden ebenfalls auf einem gleichen Potentialpegel beibehalten werden. Die Z-Diode ZD beseitigt ferner unerwünschte, wechselseitig sich überlagernde Hall-Effekte, die durch die parallele Zwischen-

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verbindung der beiden Hall-Elemente verursacht werden, so daß
eine Verzerrung der sinusförmigen Hall-Spannung verhindert wird. Hierdurch ergibt sich eine Spannung e,,, welche eine echte Sinuswellenform besitzt. Die Basiselektroden der Leistungstransistoren TI bis T3 werden somit durch dreiphasige Wechselspannungen
gleicher Amplitude angesteuert.

Der dreiphasige,bürstenlose Gleichstrommotor nach der Erfindung
bedarf nur zweier Hall-Elemente, um die Kommutierung der Statorströme zu bewirken, damit diese um 120 gegeneinander phasenverschoben sind. Es ist daher nur eine Einstellung der beiden
in Wechselwirkung zueinander stehenden Hall-Elemente erforderlich, um jede Differenz im Gleichspannungspotential an deren die Hall-Spannung liefernden Elektroden zu kompensieren.

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Claims

PotentansprUche

1. j Bürstenloser Dreiphasen-Gleichstrommotor mit einem Permanentmagnet-Rotor und drei Statorwicklungen, dadurch gekennzeichnet, daß dieStatorwicklungen wechselweise elektrisch um 120 versetzt sind, daß der Gleichstrommotor von einer Gleichspannungsquelle mit einem ersten und einem zweiten Anschluß gespeist wird, daß erste und zweite Hall-Elemente (Hl, H2) mit einer der zugeordneten Statorwicklungen verbunden und wechselweise elektrisch um 120 + (180 · n) versetzt sind, wobei η eine ganze Zahl ist,· daß die Hall-Elemente ein Elektrodenpaar zur Lieferung einer Hall-Spannung und ein Elektrodenpaar zur Stromsteuerung aufweisen, daß ein Ende der Statorwicklungen gemeinsam an den ersten Anschluß der Gleichspannungsquelle angeschlossen sind, daß erste, zweite und dritte Leistungstransistoren (Tl, T2, T3) mit Emitter-Basis- und Kollektor-Elektroden und einem Kollektor-Emitter-Kreis vorgesehen sind, daß das andere Ende der Statorwicklungen (W1,W2,W3) über den Kollektor-Emitter-Kreis des zugeordneten Leistungstransistors an den zweiten Anschluß der Gleichspannungsquelle angelegt ist, daß die Basiselektrode des ersten und zweiten Leistungstransistors an eine der eine Hall-Spannung liefernden Elek'troden

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des zugeordneten ersten und zweiten Hall-Elementes angeschlossen ist, daß die Basiselektrode des dritten Leistungstransistors an die anderen, eine Hall-Spannung liefernden Elektroden des ersten und zweiten Hall-Elements angelegt ist, daß eine Stromregeleinrichtung angeordnet ist, daß eine der stromsteuernden Elektroden der Hall-Elemente über die Stromregeleinrichtung mit dem ersten Anschluß der Gleichspannungsquelle in Verbindung steht und daß die andere stromsteuernde Elektrode der Hall-Elemente an dem zweiten Anschluß der Gleichspannungsquelle anliegt.

2. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiselektrode des dritten Leistungstransistors(T3) Über einen ersten und zweiten Widerstand (RI,R2) mit gleichem Widerstandswert an die andere, die Hall-Spannung liefernde Elektrode der Hall-Elemente angeschlossen ist.

3. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Basiselektroden des ersten und zweiten Leistungstransistors Über einen dritten und vierten Widerstand mit gleichem Widerstandswert an die eine der eine Hall-Spannung liefernde Elektroden angeschlossen ist und daß der vierte und sechste Widerstand gleiche

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Widerstandswerte besitzen.

4. Gleichstrommotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die stromsteuernden Elektroden der Hall-Elemente gemeinsam über eine Serienschaltung aus einem siebten und achten Widerstand mit gleichem Widerstandswert miteinander verbunden sind und daß der Verbindungspunkt zwischen dem siebten und achten Widerstand an den Verbindungspunkt zwischen dem fünften und sechsten Widerstand angeschlossen ist.

5. Gleichstrommotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert des siebten und achten Widerstands kleiner als der Widerstandswert des ersten bis sechsten Widerstands ist.

6. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stromsteuernden Elektroden der Hall-Elemente über eine Zehnerdiode (Zd) miteinander gekoppelt sind, um die Spannung zwischen den stromsteuernden Anschlüssen auf einem konstanten Wert zu halten.

7. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitter-Elektroden des ersten bis dritten Transistors

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über ein Widerstandselement gemeinsam an den zweiten Anschluß der Gleichspannungsquelle angelegt sind.

8. Gleichstrommotor mit einem Permanentmagnet-Rotor und drei Statorwicklungen, dadurch gekennzeichnet, daß dieStatorwicklungen wechselweise elektrisch um 120 versetzt sind, daß der Gleichstrommotor von einer Gleichspannungsquelle mit einem ersten und einem zweiten Anschluß gespeist wird, daß erste und zweite Hall-Elemente (HI, H2) mit einer der zugeordneten Statorwicklungen verbunden und wechselweise elektrisch um

daß die Hall-Elemente ein Elektrodenpaar zur Lieferung einer Hall-Spannung und ein Elektrodenpaar zur Stromsteuerung aufweisen, daß ein Ende der Statorwicklungen gemeinsam an den ersten Anschluß der Gleichspannungsquelle angeschlossen sind, daß erste, zweite und dritte Leistungstransistoren (Tl, T2, T3) mit Emitter-Basis- und Kollektor-Elektroden und einem Kollektor-Emitter-Kreis vorgesehen sind, daß das andere Ende der Statorwicklungen (W1,W2,W3) über den Kollektor-Emitter-Kreis des zugeordneten Leistungstransistors an den zweiten Anschluß der Gleichspannungsquelle angelegt ist, daß ein Spannungsteiler- und Ausgleichsnetzwerk

120° + (180° · n) versetzt sind, wobei η eine ganze Zahl ist,

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sowie ein die Spannungen kombinierendes Netzwerk vorgesehen sind, daß die Basiselektrode des ersten und zweiten Leistungstransistors Über das Spannungsteiler- und Ausgleichsnetzwerk an eine der die Hall-Spannung liefernden Elektroden eines der zugeordneten ersten und zweiten Halbleiterelemente angeschlossen ist, daß die Basiselektrode des dritten Leistungstransistors Über das Netzwerk zum Kombinieren der Spannungen an die anderen, eine Hall-Spannung liefernden Elektroden des ersten und zweiten Hall-Elements angelegt ist, daß eine Stromreglereinrichtung vorgesehen ist, wobei eine der stromsteuernden Elektroden der Hall-Elemente Über die Stromreglereinrichtung an den ersten Anschluß der Gleichspannungsquelle angeschlossen und die übrigen stromsteuernden Elektroden der Hall-Elemente an den zweiten Anschluß der Gleichspannungsquelle angelegt sind und daß die stromsteuernden Elektroden der Hall-Elemente Über das Spannungsteiler- und Ausgleichs- bzw. Abgeleichnetzwerk miteinander in Verbindung stehen.

9. Gleichstrommotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das die Spannungen kombinierende Netzwerk aus einer Serienschaltung von Widerständen mit gleichem Widerstandswert besteht und daß die Basiselektrode des dritten Leistungstransistors an

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einen Verbindungspunkt zwischen diesen Widerständen angeschlossen ist.

10. Gleichstrommotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannungsteiler- und Ausgleichsnetzwerk eine erste BrUckenschaltung, die zwischen die Basiselektroden des ersten und zweiten Transistors geschaltet ist, sowie eine zweite BrUkkenschaltung enthält, welche zwischen die stromsteuernden Elektroden der Hall-Elemente geschaltet ist, daß die erste BrUckenschaltung zwei Widerstandspaare mit gleichem Widerstand aufweist, daß die zweite BrUckenschaltung zwei Widerstände mit gleichem Widerstandswert enthält, daß der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen der zweiten BrUckenschaltung an den Verbindungspunkt bzw. Mittelpunkt zwischen den Widerstandspaaren der BrUckenschaltung angeschlossen ist.

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