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Anordnung mit einem zwei antivalente Ausgangs auf-
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weisenden Sensorglied nach Art eines Hallgenerators Die Erfindung
betrifft eine Anordnung, vorzugsweise einen kollektorlosen Gleichstrommotor, mit
einem galvanomagnetischen, zwei antivalente Ausgänge aufweisenden Sensorglied nach
Art eines Hallgenerators, wobei beiden Ausgängen des Sensorglieds je eine Verstärkeranordnung
nachgeschaltet ist.
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Es sind zahlreiche Steuerschaltungen für antivalente Ausgänge aufweisende
Sensorglieder bekannt. Ein typisches Sensorglied mit antivalenten Ausgängen ist
der Hallgenerator. Gewöhnlich
arbeiten diese Steuerschaltungen mit
Differentialverstarkern, um die beiden Ausgangsspannungen eines solchen Sensorglieds
möglichst gut auszunutzen. Dabei ergibt sich der Nachteil, daß gemäß dem Betriebsprinzip
des Differentialverstärkers ein Zweig desselben immer einen Strom führen muß. Man
kann also den Differentialverstärker nicht z. B. dann stromlos machen, wenn beide
antivalente Ausgänge dasselbe oder ein kaum unterschiedliches Potential haben. Das
erweist sich bei versdhiedenen Anwendungen als gravierender Nachteil, wie die folgenden
Ausführungen anhand von Ausführungsbeispielen zeigen werden.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es also, Anordnungen der eingangs genannten
Art zu verbessern und ihr Anwendungsspektrum zu erweitern.
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Erfindungsgemäß wird dies erreicht durch die im Anspruch 1 angegebenen
Maßnahmen.
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Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten,
in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen,
sowie aus den Unteransprüchen. Es zeigt Fig. 1 einen berührungslosen Näherungsschalter
in Verbindung mit einer hydraulischen Steuerschaltung, Fig. 1A die Wahrheitstabelle
der Schaltung nach Fig. 2, Fig. 2 die Schaltung des Näherungsschalters nach Fig.
1, Fig. 3A und 3B zwei Prinzipdarstellungen eines vierphasigen kollektorlosen Gleichstrommotors,
Fig. 4A und 4B Schaubilder zur Erläuterung der Fig. 3 und 5, Fig. 5 eine Schaltung
zum Betrieb des in den Fig. 3A und 3B dargestellten Motors, Fig. 6 eine Draufsicht
auf den Stator eines als Flachmotor ausgebildeten kollektorlosen Gleichstrommotors,
gesehen längs der Linie VI-VI der Fig. 7,
Fig. 7 einen Schnitt,
gesehen längs der Linie VII-VII der Fig. 6, Fig. 8 einen Schnitt, gesehen längs
der Linie VIII-VIII der Fig. 6, Fig. 9 eine Draufsicht auf den unteren Rotormagneten,
gesehen längs der Linie IX-IX der Fig. 7, Fig. 10 die Schaltung des Motors nach
den Fig. 6 bis 9, und Fig. 11 und 12 Schaubilder zur Erläuterung der Wirkungsweise
des Motors nach den Fig. 6 bis 10.
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Die Fig. 1 und 2 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung
in Form eines sogenannten Näherungsschalters 10, der an eine Gleichspannung von
z. B. 24 V angeschlossen ist und als Sensorglied einen Hall-IC 11 enthält, also
einen Hallgenerator, der mit einem als integrierte Schaltung ausgebildeten Halbleiterverstärker
verbunden ist. Ein solcher Hall-IC wird z. B. von der Firma Honeywell unter der
Typenbezeichnung 63 SS 2C hergestellt und hat bei einer 3 triebs spannung von 8
V und einer Magnetfelddichte von B9 1 eine Potentialdifferenz von ca.3 V zwischen
seinen Ausgangsklemmen, welch letztere in Fig. 2 mit 12 und 13 bezeichnet sind.
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An einem beweglichen Teil 14 sind im Abstand voneinander zwei Dauermagnete
15 und 16 angeordnet. Liegt dem Hall-IC 11 keiner der beiden Dauermagnete gegenüber,
d. h. ist B = 0, so haben die Ausgänge 12 und 13 etwa dasselbe Potential und der
Näherungsschalter gibt kein Signal ab. Liegt dem Hall-IC 11 der Südpol des Magneten
15 gegenüber, so wird sein Ausgang 13 negativer als sein Ausgang 12, so daß die
Transistoren 17 und 18 weiterhin gesperrt bleiben und die an sie angeschlossene
Magnetwicklung 19 stromlos bleibt, während die Transistoren 22 und 23 leitend werden
und dadurch die Magnetwicklung 24 Strom erhält. Liegt umgekehrt dem Hall-IC 11 der
Nordpol des Dauermagneten 16 gegenüber, so wird die Magnetwicklung 24 stromlos und
die Magnetwicklung 19 erhält Strom.
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Auf diese Weise kann also der einzige Näherungsschalter 10 berührungslos
z. B. das in Fig. 1 dargestellte 4/3-Vege-Magnetventil 25 steuern, das seinerseits
in der dargestellten Weise einen doppelt wirkenden Hydrozylinder 26 steuert: Wirkt
auf den Hall-IC 11 kein Magnetfeld oder nur ein kleines Magnetfeld, so erhält keine
der beiden Magnetwicklungen 19 und 24 Strom, das Ventil 25 bleibt durch seine Rückstellfedern
in seiner - dargestellten - Umlauf-Nullstellung, und der Arbeitszylinder 26 ist
in seiner jeweiligen Stellung blockiert. Kommt der Dauermagnet 15 in eine Lage gegenüber
dem Hall-IC 11, so wird die Magnetwicklung 24 erregt, und der Kolben des Arbeitszylinders
26 wird eingefahren. Kommt dagegen der Dauermagnet 16 in eine Lage gegenüber dem
Hall-IC 11, so wird die Magnetwicklung 19 erregt, und der Kolben des Arbeitszylinders
26 wird ausgefahren.
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Der Näherungsschalter 10 kann also diskriminieren zwischen einem Zustand
mit geringem oder keinem Magnetfeld, also B = 0, und zwei relativ starken, verschieden
gerichteten Magnetfeldern B1 bzw. B2, und kann dementsprechend verschiedene Signalkombinationen
abgeben, wie das die Darstellung nach Fig. 1A in der üblichen logischen Darstellungsweise
(sogenannte Karnaugh-Tabelle) zeigt. Ein besonderer Vorteil des Näherungsschalters
10 liegt dabei in seiner Unempfindlichkeit gegen schwache Sbsufelder, da eine bestimmte
Mindestinduktion am Hall-IC 11 erforderlich ist, um eine der beiden Magnet-vicklungen
einzuschalten.
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Zu diesem Zweck haben die beiden dem Hall-IC 11 nachgeschalteten Verstärkeranordnungen
einen speziellen Aufbau, und zwar wird beiden Verstärkereingängen wie dargestellt
der volle Spannungshub zwischen den Ausgängen des Hall-IC 11 zugeführt.
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Der Ausgang 12 ist also verbunden mit der Basis des pnp-Transistors
17 und dem Emitter des pnp-Transistors 22. Ebenso ist der Ausgang 13 verbunden mit
der Basis des Transistors 22 und dem Emitter des Transistors 17. Zwischen Emitter
und Basis beider Transistoren 17 und 22 wird also jeweils die volle Potentialdifferenz
zwischen 12 und 13 wirksam, aber mit entgegengesetztem Vorzeichen.
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Da die - identischen - Transistoren 17 und 22 erst ab einer bestimmten
Schwellenspannung leitend werden, die bei Germaniumtransistoren 0,2...0,3 V und
bei Silizium-Transistoren etwa 0,6...0,7 V beträgt, muß also erst am Hall-IC 11
eine genügend hohe magnetische Flußdichte B wirksam werden, ehe seine Ausgangsspannung
so hoch wird, daß im Transistor 17 oder 22 ein Strom zu fließen beginnt und am zugehörigen
Lastwiderstand 25 bzw. 26 ein Spannungsabfall entsteht, der den zugeordneten npn-Teistungstransistor
18 bzw. 23 leitend macht. -Der Hall-IC 11 ist über einen Vorwiderstand 27 mit der
Minusleitung 28 verbunden, wodurch er potentialmäßig etwa auf dem gleichen Niveau
liegt wie die beiden Transistoren 17 und 22.
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B Bei genügend hohen Induktionen/kann man statt eines Hall-IC auch
einen einfachen Hallgenerator ohne Verstärker verwenden, der zwischen seinen beiden
Ausgängen gewöhnlich maximal eine Spannungsdifferenz von 0,4 V erzeugt. Man muß
dann für die Transistoren 17 und 22 Germanium-Transistoren verwenden, da deren Schwellenspannung
wie gesagt in der Größenordnung von 0,2...0,3 V liegt, doch ist die Verwendung von
Germanium-Transistoren bei industriellen Anwendungen wegen deren relativ großen
Temperaturempfindlichkeit und niedrigen Temperaturgrenze meist unerwünscht, und
die bevorzugte Alternative ist deshalb beim vorliegenden wie auch bei den folgenden
Ausfthrungsbeispielen die Verwendung eines Hall-IC, an den als Verstärker Silizium-Transistoren
angeschlossen sind.
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Die Schaltung nach Fig. 2 setzt wegen der hohen .Verstärkung der Transistoren
17 und 22 lineare Induktionsänderungen in digitale Signale um, wie das für logische
Steuerungen erwünscht ist. Bei anderen Anwendungsarten wird angestrebt, daß stetige
Induktionsänderungen auch eine stetige Änderung des Ausgangsstroms zur Folge haben,
oder anders gesagt, daß oberhalb einer bestimmten Mindestinduktion - entsprechend
der Schwellenspannung der Transistoren - der Strom am Ausgang der Verstärkeranordnungen
etwa eine Abbildung des Induktionsverlaufs am Sensorglied darstellt. Dies gilt in
besonderem Maße
für kollektorlose Gleichstrommotoren, bei denen
es zur Erzielung eines ruhigen Laufs besonders wichtig ist, daß sich die Ströme
in den einzelnen Wicklungen nicht abrupt ändern, sondern monoton, d. h. sanft ansteigen
und abfallen.
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Die Fig. 3 bis 5 zeigen die Anwendung der Erfindung'bei einem zweipoligen
kollektorlosen Gleichstrommotor, der vier je um 900 elektrisch gegeneinander versetzte
Statorwicklungen 31, 32, 33, 34 hat, welche im Betrieb ein Drehfeld erzeugen. Ein
solcher Motor kann als vierphasiger Motor bezeichnet werden. Die Fig. 3A und 33
zeigen seinen prinzipiellen Aufbau, also die vier in Stern geschalteten Wicklungen
31 bis 34, deren Sternpunkt an eine Plusleitung 35 (z. B.
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+24 V) angeschlossen ist, sowie den Rotor 36, an dessen in Fig. 33
linken Abschnitt die beiden Steuermagnete 37 und 38 für die beiden Hall-ICs 39 und
40 angeordnet sind, welch letztere um 900 elektrisch gegeneinander versetzt am Stator
angeordnet sind. Der eigentliche Rotormagnet, ein diametral magnetisierter zweipoliger
Zylinder 43, befindet sich in Fig. 33 am rechten Abschnitt des Rotors 36.
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Die Steuermagnete 37 und 38 liegen sich diametral gegenüber, erstrecken
sich jeweils über nicht ganz 900 elektrisch und sind in der dargestellten Weise
polarisiert, also in Phase mit dem Hauptmagneten 43.
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Bei einer Drehung des Rotors 36 im Uhrzeigersinn werden an den beiden
Hallgeneratoren 39 und 40 die in Fig. 4A angegebenen treppenförmigen Hall spannungen
u39 und U40 erzeugt. Die in Fig. 3A dargestellte Rotorstellung entspricht dabei
in Fig. 4A etwa 45° elektrisch. Der Magnet 37 bewirkt also zuerst am Hall-IC 39
und dann am Hall-IC 40 eine positive Spannung mit einer Dauer von jeweils etwa 900
elektrisch. Dann folgt der Dauermagnet 38 und erzeugt seinerseits - da entgegengesetzt
polarisiert - zuerst am Hall-IC 39 und dann am Hall-IC 40 eine negative Spannung,
welche ebenfalls jeweils etwa 900 elektrisch dauern. Form und Dauer dieser Spannungen
sind dabei praktisch beliebig durch Formgebung und Magnetisierung der Magnete 37
und 38 wählbar.
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Die Schaltung zur Auswertung der Hall spannungen u39 und U40 ist in
Fig. 5 dargestellt. Dort sind die Hall-lOs 39 und 40 sowie die vier Notorwicklungen
31 bis 34 ebenfalls dargestellt. Zum Erzeugen einer konstanten Betriebsspannung
für die Hall-ICs 39 und 40 (z. B. 8,2 V) dient eine Zenerdiode 44, die über einen
Knotenpunkt 45 mit einem Widerstand 46 verbunden ist; die Serienschaltung von 44
und 46 liegt wie dargestellt zwischen der Plusleitung 35 und einer Minusleitung
47. Vom Punkt 45 führt je ein Einstellwiderstand 48 bzw. 49 (zur Symmetrierung der
Hallspannungen) zum zugeordneten Hall-IC 39 bzw. 40, dessen anderer Stromanschluß
jeweils an 35 liegt.
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Da die Schaltung nach Fig. 5 ersichtlich symmetrisch ist, wird im
folgenden nur die linke Hälfte beschrieben; die entsprechenden Teile der rechten
Hälfte werden mit denselben Bezugszeichen, aber einem nachgestellten Apostroph bezeichnet,
z.B. 50 und 50t.
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Der linke Ausgang 50 des Hall-IC 39 ist mit der Basis eines pnp-Silizium-Transistors
51 und über einen Widerstand 52 mit dem Emitter eines (mit 51 identischen) pnp-Transistors
53 verbunden. Ebenso ist der rechte Ausgang 54 des Hall-IC 39 mit der Basis von
53 und über einen Widerstand 55 mit dem Emitter von 51 verbunden. Die Widerstände
52 und 55 sind Gegenkopplungswiderstände und haben z. B. je 1 k0hm. Sie dienen dazu,
den Belastungswiderstand des Hall-IC zu vergrößern, der etwa gleich der Größe des
Gegenkopplungswiderstands, multipliziert mit der Stromverstärkung des zugeordneten
Transistors ist, also beim angegebenen Beispiel-und einer Stromverstärkung von 100
etwa 100 k0hm beträgt. Durch diese Maßnahme erreicht man, daß der Strom im Transistor
51 bzw. 53 nach Überschreiten von dessen Schwellen- oder Schleusenspannung (typisch
etwa 0,6...0,7 V) ein Bild der Änderung.der Spannung zwischen den Ausgängen 50 und
54, also ein Bild der auf den Hall-IC 39 jeweils wirkenden magnetischen Induktion
B wird. Da sich diese Induktion monoton ändert, ändert sich auch der Strom in diesen
Transistoren monoton und nicht sprunghaft.
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Die Kollektoren von 51 und 53 sind über Widerstände 56 bzw. 57 mit
der Ninusleitung 47 und direkt mit der Basis des zugeordneten npn-Leistungstransistors
58 bzw. 59 verbunden. Die Emitter von 58 und 59 sind mit der Ninusleitung 47, ihre
Kollektoren mit den freien Enden der Siotomzicklungen 31 bzw. 33 verbunden.
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Ebenso sind die Kollektoren der Transistoren 58' und 59' mit den freien
Enden der Notorwicklungen 32 bzw. 34 verbunden.
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Wenniim Betrieb kein Dauermagnet 37 oder 38 dem Hall-IC 39 gegenüberliegt
(B = 0), haben seine Ausgänge 50 und 54 etam dasselbe Potential und keiner der beiden
Transistoren 51 und 53 leitet.
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Auch wenn sich der Magnet 37 dem Hallgenerator 39 nähert, so daß dessen
Ausgang 50 negativer und dessen Ausgang 54 positiver wird, vgl. Fig. 4A, Abschnitt
von etwa -150 elektrisch bis -5° elektrisch, wird noch keiner der Transistoren 51
oder 53 leitend, da die Schwellenspannung uth des Transistors 51 noch nicht erreicht
ist. Erst bei etwa -5 elektrisch wird uth überschritten, die Transistoren 51 und
58 werden leitend und der Strom i31 nimmt in der in Fig. 4B dargestellten Weise
monoton zu. Nach etwa 900 elektrisch ist dann der Dauermagnet 37 am Hall-IC 39 vorbeigelaufen,
und die Spannung zwischen 50 und 54 sinkt wieder unter den Schwellenwert uth von
Transistor 51, so daß der Strom i31 wieder unterbrochen wird.
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Als nächstes läuft der Dauermagnet 37 dann am Hall-IC 40 vorbei und
bewirkt das Leitendwerden der Transistoren 51' und 58', so daß durch die Motorwicklung
32 etsa 90 elektrische Grade lang der Strom i32 fließt; Dann kommt der Dauermagnet
38 zum Hallgenerator 39, die Transistoren 53 und 59 werden etwa 900 elektrisch lang
leitend, und es fließt in 33 der Strom i33, und schließlich kommt der Dauermagnet
38 zum Hallgenerator 40, die Transistoren 53' und 59' werden leitend und in 34 fließt
der Strom i i34 Es wird also ein Drehfeld erzeugt, das den Rotormagneten 43 antreibt.
Wichtig ist dabei, daß die Ströme in den einzelnen Wicklungen nur jeweils dann fließen,
wenn in diesen vom rotierenden Magneten 43 gerade die höchste Gegen-EME induziert
wird. Je nach der Magnetisierung des Magneten 43 kann diese Gegen-EMt verschiedene
Formen haben. Bei sinusförmiger
Magnetisierung hat sie Sinusform,
und bei der - hier bevorzugten - trapezförmigen Magnetisierung hat sie Trapezform.
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Der Strom in der betreffenden Wicklung wird eingeschaltet, 1.;enn
diese Gegen-EíK bereits hoch ist, und er wird abgeschaltet, während sie noch hoch
ist. Dadurch werden die Leistungstransistoren 58, 59 und 58', 59' am wenigsten belastet,
und die Motorgeräusche bleiben niedrig. Wesentlich an der vorliegenden Schaltung
ist, daß es bei Verwendung von Hallgeneratoren oder Hall-lOs möglich ist, den Stromflußwinkel,
die Form der einzelnen Ströme und die Kommutierung je nach der Art der Magnetisierung
des Rotormagneten 43 optimal festzulegen. Bei den bekannten Hallgeneratorschaltungen,
z. B. nach der US-PS 3 486 099, ist dies nicht möglich, da dort die Kommutierung
zwangsweise jeweils nach 90 elektrischen Graden erfolgt. Durch die Erfindung wird
es also möglich, das Drehfeld sehr gleichmäßig zu machen und gleichzeitig den Motor
sehr geräuscharm auszubilden, also bei maximaler Ausnutzung der Beistungstransistoren
doch einen geräuscharmen Motor bei sehr gutem Wirkungsgrad zu erhalten.
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Eine besonders bevorzugte Anwendung findet die vorliegende Erfindung
bei Motoren, bei denen dem elektromagnetisch erzeugten Antriebsmoment ein Reluktanzmoment
überlagert wird. Solche Motoren haben eine Wicklung, die im Betrieb nur ein reines
Wechselfeld, also kein Drehfeld, erzeugt. Sie sind ausführlich beschreiben u. a.
in folgenden Schriften, auf deren Inhalt zur Vermeidung übermäßiger Längen ausdrücklich
Bezug genommen wird: DOS 2 225 442 DOS 2 239 167 DOS 2 243 923 DOS 2 252 727 DOS
2 314 259 DOS 2 321 022 DOS 2 332 012 D2-AS 2 346 380 DOS 2 358 030 DOS 2 532 551
Im
folgenden wird zum besseren Verständnis eine Bauart eines solchen Motors kurz beschrieben,
wobei jedoch ausdrücklich darauf hinzuweisen ist, daß die Erfindung in keiner Weise
auf diese Bauart beschränkt ist, sondern sich genauso z. B. auch bei analogen Motoren
mit zylindrischem Luftspalt verwenden laßt.
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Die in den Fig. 6 bis 9 dargestellte Motorbauart ist ein sogenannter
Flachmotor mit ebenem Luftspalt; bei solchen Motoren bringt die Erfindung eine besonders
starke Gernuschreduzierung, was z. B. bei Antrieben für Phonogeräte sehr wichtig
ist. Fig. 6 zeigt eine Draufsicht auf eine aus einem isolierenden Werkstoff bestehende
Statorplatte 70, welche Ausnehmungen aufweist, in denen zwei eisenlose Flachspulen
71 und 72 befestigt sind, welche sich diametral gegenüberliegen. In der Mitte der
Platte 70 befindet sich eine Ausnehmung 74, durch welche eine Welle 75 ragt, die
an ihrem unteren Ende in (nicht dargestellten) Lagern gelagert ist. Wie Fig. 7 zeigt,
sind auf dieser Welle, durch eine Distanzhülse 80 in einem genau vorgegebenen Abstand
voneinander gehalten, zwei Weicheisenscheiben 76 und 77 befestigt, auf denen axial
polarisierte, vierpolige Ringmagnete 78 bzw. 79 festgeklebt sind. Die Form der Polarisierung
des Ringmagnets 78, welche zu derjenigen des Ringmagnets 79 spiegelbildlich ist,
geht aus Fig. 9 hervor.
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Danach verlaufen die Pollücken 82 nicht genau radial nach auswärts,
sondern gekrümmt und unter einem Winkel alpha zu einem gedachten Radiusvektor 83,
welcher durch die jeweilige Pollücke 82 verläuft. In Fig. 9 ist die ungefähre Richtung
der Längsachse einer Pollücke 82 mit 84 bezeichnet. Da sich der Rotor 86, der im
wesentlichen aus den Teilen 76 bis 80 sowie der zugeordneten Welle 75 besteht, in
Richtung des Pfeiles 85 (Fig. 6 und 9) dreht, erkennt man, daß die gekrümmten Pollücken
82 entgegen der Drehrichtung gegenüber dem Radiusvektor 83 verdreht sind.
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Die Flachspulen 71 und 72 sind bifilar gewickelt, gleichsinnig in
Reihe geschaltet, und haben Anschlüsse 87 bis 90, welche direkt nach außen geführt
sind. Ihre magnetisch aktiven Abschnitte
93 und 94 bzw. 95 und
96 verlaufen jeweils etwa parallel zueinander.
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eben der Spule 72 ist ein Hall-IC 91 auf der Platte 70 befestigt,
und ztrar liegt er auf einem Radiusvektor 97, welcher einen Winkel vo W 5° 0 (900
elektrisch) mit der geTfleinsanen Achse der Spulen 71 und 72 einschließt.
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Ferner sind auf der der Drehrichtung entgegengesetzten Seite der Spule
71 und an sie anschließend zwei weichferromagnetische Elemente 98 und 99 in der
dargestellten Weise angeordnet. Sie liegen wie dargestellt nebeneinander, haben
aber einen Abstand voneinander, der von ferromagnetischen Teilen frei ist. Die Form
der - identischen - Elemente 98 und 99 geht klar aus Fig. 8 hervor.
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Fig. 11A zeigt die Porm der Magnetisierung B der Rotormagneten 78
und 79 über 3600el., also über der Hälfte ihres Umfangs.
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Diese Magnetisierung ist trapezförmig und hat einen etwa konstanten
Wert zwischen etwa 45 und 135 el. sowie zwischen 225 und 3150 el. Die in den Wicklungen
71, 72 induzierte Gegen-EMK entspricht etwa der Form dieses Induktionsverlaufs,
d. h. auch sie hat jeweils während etwa 90 el upfährihren maximalen Wert.
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Aus den bei Fig. 5 bereits dargelegten Gründen ist es auch hier wünschenswert,
die Ströne in den Motorwicklungen 71 und 72, welche Ströme in Fig. 113 dargestellt
sind, nur dann fließen zu lassen, wenn diese Gegen-EPIK ihren Maximalwert hat, da
dann die Transistoren optimal genutzt werden (Arbeiten in Schaltbetrieb) und da
dann - besonders bei Flachmotoren - die Gerusche am niedrigsten werden. Mit anderen
Worten muß bei einem solchen Motor in der in Fig. 11B dargestellten Weise um den
theoretischen Kommutierungspunkt Tk herum jeweils eine Stromlücke erzeugt werden,
in der dem Motor von außen keine Energie zugeführt wird. Der Motor erzeugt dann
ein elektromagnetisches Drehmoment, das in Fig. 12B mit Mel bezeichnet ist und ebenfalls
um Tk herum eine entsprechende Lücke 101 aufweist.
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Diese Momentenlücke 101 wird gefüllt durch ein Reluktanzmoment Mrel,
das in Fig. 12A und 12B dargestellt ist und das einen unsymmetrischen Verlauf bezüglich
der Abszisse aufweist, d. h., daß es abwechselnd als Bremsmoment (Abschnitt 103)
und als Antriebsmoment (Abschnitt 104) wirkt. Hierbei ist im Verlauf einer Periode
jeweils die Fläche 103 unterhalb der Abszisse etwa gleich groß wie die Fläche 104
oberhalb der Abszisse.
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Man kannsich die Wirkungsaeise am besten so vorstellen, daß dieqFläche
103 Energie darstellt, die durch das elektromagnetische Drehmoment Mel bereitgestellt
und im magnetischen System des Motors durch das Zusammenwirken der Rotormagnete
78, 79 mit den Reluktanzeisenstücken 98, 99 gespeichert wird, und daß die Fläche
104 diejenige magnetische Energie darstellt, die während der Momentenlücken 101
vom Motor abgegeben wird und diesen in den Momentenlücken 101 antreibt. Durch die
Überlagerung von Mel und Mrel ergibt sich das in Fig. 12B mit 106 bezeichnete Summenmoment,
das bei geeigneter Bemessung im Betriebspunkt des Motors einigermaßen konstant ist.
(Die Darstellung nach Fig. 123 ist naturgemäß idealisiert.) Wie arbeitet nun die
Schaltung nach Fig. 10 zur Erzeugung der Stromlücken gemäß Fig. 113? Die Schaltung
nach Fig. 10 kann gleich aufgebaut sein wie die linke Hälfte der Schaltung nach
Fig. 5. Fig. 10 zeigt aber eine bevorzugte Ausführungsforin, wie sie speziell für
Lüfter verwendet wird; wenn der Lüfter durch irgendeine mechanische Sperre blockiert
wird und sich nicht drehen kann, bewirkt die Schaltung nach Fig. 10 eine automatische
Abschaltung des Motorstroms, so daß der Motor nicht überhitzt wird. Auch ermöglicht
diese Schaltung nach Entfernen der Sperre einen sehr leichten Wiederanlauf durch
a) kurzes Ausschalten und anschließendes Wiedereinschalten des Motors, oder b) einen
kurzen Spannungsimpuls zwischen Plusleitung 110 und Minusleitung 111, oder c) einen
kurzen Drehimpuls auf den Rotor, z. B. Anwerfen mit dem Finger.
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Der ilall-IG 91 liegt hier ebenso wie bei Fig. 5 an einer konstanten
Spannung, die durch eine Zenerdiode 112 in Reihe mit einem 5.iderstand 143 erzeugt
wird. Sein linker Ausgang 113 ist über einen Widerstand 114 i;01t der Kinusleitung
111, über einen Kondensator 115 mit der Basis eines SilizX-pnp-Transistors 116,
über einen Gegenkopplungswiderstand mit dem Emitter eines pnp-Transistors 118 (mit
116 identisch) und über einen Entladewiderstand 119 mit der Basis von 118 verbunden.
Ebenso ist der rechte Ausgang 120 von 91 über einen Widerstand 121 mit der Ilinusleitung
111, über einen Kondensator 122 mit der Basis des Transistors 118, über einen Gegenkopplungswidersta
mit dem Emitter des Transistors 116 und über einen Entladewiderstand 124 mit der
Basis des Transistors 116 verbunden.
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Der Kollektor des Transistors 116 ist mit der Basis eines npn-Leistungstransistors
125 verbunden, dessen Emitter an der Minusleitung 111 liegt und dessen Kollektor
mit dem Anschluß 87 der erstenWicklgshälfte Slverbunden ist, deren anderer Anschluß
89 an der Plusleitung 110 liegt. Ebenso ist der Kollektor des Transistors 118 mit
der Basis eines npn-Transistors 126 verbunden, dessen Emitter mit der Minusleitung
111 verbunden ist und dessen Kollektor mit dem Anschluß 90 der zweitenWicklgshälfte
52 verbunden ist, deren anderer Anschluß 88 an der Plusleitung 110 liegt.
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Die Kondensatoren 115 und 122 sind so groß gewählt, daß sie die Ausgangsspannung
des Hall-IC 91 nicht differenzieren.
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Wenn die magnetische Induktion B am Hall-IC 91 gleich Null ist, haben
seine beiden Ausgänge 113 und.120 dasselbe Potential, und keiner der beiden Transistoren
116 oder 118 ist leitend, da beide Kondensatoren 115 und 122 im Betrieb nur eine
geringe und etwa gleich große Ladung tvaish n V-.
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haben. Kommt nun z. B. ein Nordpol aes / zum Hall-IC 91 so wird der
Ausgang 113 negativer und der Ausgang 120 positiver. Die Folge ist, daß bis zum
Überschreiten der Schwellenspannung des Transistors 116 (z. B. 0,6 V) der Transistor
116 zunächst weiterhin gesperrt bleibt -hierdurch
entsteht die
beschriebene Stromlücke -, da ja die Ausgangsspannung uH des Hall-IC 91 etwa der
magnetischen Induktion am Hall-IC proportional ist und erst beim Überschreiten der
in Fig. 11A mit uth bezeichneten Schwellenspannung, also erst zum Zeitpunkt t1 ein
Basisstrom zum Transistor 116 fließen kann. Nach Überschreiten von uth fließt dann
über den Kondensator 115 ein Basisstrom zum Transistor 116, wodurch sich der Kondensator
115 gleichzeitig etwas auflädt. Der Gegenkopplungswiderstand 123 bewirkt auch hier,
daß die Reihenschaltung von 116 und 123 für den Hall-IC wie ein hoher Widerstand
wirkt und deshalb der Strom i51 (Fig. 113) durch den vom Transistor 116 direkt angesteuerten
Leistungstransistor 125 ziemlich genau den Verlauf der Hall-Spannung uH oberhalb
von uth abbildet.
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Unterschreitet die Hallspannung die Spannung uth'wieder, so sperren
die Transistoren 116 und 125 wieder und der Strom in S1 wird unterbrochen. Dies
erfolgt zum Zeitpunkt t2. Es kommt dann ein Südpol von 78 zum Hall-IC 91, und nach
Ablauf einer Zeitspanne T5 (z. B. 450 el.) wird zum Zeitpunkt t3 das Potential am
Ausgang 120 so viel negativer als das Potential am Ausgang 113, daß der Transistor
118 einen Basisstrom zieht und dieser Transistor sowie der Transistor 126 leitend
werden und in S2 ein Strom i52 zu fließen beginnt.
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Gleichzeitig entlädt sich hierbei der zuvor geladene Kondensator 115
wieder über den Entladewiderstand 124. Auf diese Weise werden die Kondensatoren
115 und 122 im normalen Betrieb ständig geladen und entladen, und der Motorstrom
wird - unter Erzeugung der gewünschten Strompause - zwischen den beiden Stranghälften
S1 und S2 kommutiert.
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Wird der Motor in einer Stellung blockiert, in der ein Nordpol von
78 dem Hall-IC 91 gegenüberliegt, so wird der Ausgang 113 ständig negativer als
der Ausgang 120. Es fließt nun zunächst in der beschriebenen Weise über den Kondensator
115 ein Basisstrom zum Transistor 116 und macht diesen und den Transistor 125 leitend,so
daß der Motor zunächst noch ein Drehmoment abgibt. Dabei lädt sich jedoch der Kondensator
115 rasch auf, d. h. seine linke Elektrode wird zunehmend
positiver
als die rechte, so daß nach beispielsweise zwei Sekunden die Schwellenspannung des
Tran'sistors 116 unterschritten wird und dieser ebenso wie der Transistor 118 sperrt
und der Motor keinen Strom mehr erhält. Es fließt dann nur noch der Strom zum Hall-IC
91, der nicht sehr hoch ist. Wird nach dem Ende der Blockierung der Motor kurz abgeschaltet,
so kann sich der Kondensator 115 über seinen Entladewiderstand 124 genügend entladen
und der Motor läuft wieder an. Ebenso genügt ein kurzer Spannungsimpuls, um den
Motor dann wieder anlaufen zu lassen. Alternativ kann er auch von Hand angeworfen
werden, wobei auch ein Anwerfen in der falschen Richtung nicht schadet, da der Motor
dann kurzzeitig anhält und seine Drehrichtung -die durch den Hall-IC 91 festgelegt
ist - selbst reversiert.
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Die Schaltung nach Fig. 10 wurde für einen kleinen Lüfter mit einer
Leistungsaufnahme von ca. 3 W bei 4 000 U/min (Drehzahlbereich 3 000 bis 5 000 U/min)
aufgebaut. Betriebsspannung war 24 V. Es wurden folgende Bauelemente verwendet:
Hall-IC 91: Honeywell 63 SS 2C Zenerdiode 112: 8,2 V Widerstand 113: 390 Ohm Kondensatoren
115/122: je 2,2 po Widerstand 119, 124: je 30 k0hm Widerstand 117, 123: je 1 100
Ohm Transistoren 116, 118: BC 307C Transistoren 125, 126: BC 357/25 Widerstand 114,
121: je 5,6 k0hm Der Motor war ein Flachmotor. Die Induktion der Rotormagneten im
Luftspalt war etwa 1 kG, die Windungszahl der Einzelwicklungen je 500 Wicklungen
bifilar. Die maximal erreichbare Betriebstemperatur war 800C. Der Wirkungsgrad war
ca. 30 %, Bei einer höheren Induktion wird der Wirkungsgrad besser.
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Ebenso wie die Schaltung nach Fig. 5 auch für Motoren mit Reluktanz-Hilfsmoment
verwendbar ist, wenn keine Blockiersicherung gewünscht wird, kann die Schaltung
flach Fig. 10 -entsprechend verdoppelt - auch für vierphasige Motoren (analog zu
Fig. 5) verwendet werden, wodurch diese dann blockiersicher werden.
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Die in Fig. 10 dargestellten Widerstände 114 und 121 sind für den
Betrieb des Hall-IC 63 SS 2C erforderlich (Teil 91 in Fig. 10), daddort eine Ankopplung
über die Kondensatoren 115 und 122 verwendet wird und die Halbleiterbauelemente
des Hall-IC 91 sonst nicht mit dem erforderlichen Gleichstrom versorgt würden. -
Wie Fig. 10 ferner zeigt, kann bei kleinen Leistungen mit Vorteil ein Widerstand
zwischen Bais und Emitter des Endstufentransisitors, z.B. 56 in Fig. 5, entfallen.
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Als Sensorglied mit zwei antivalenten Ausgängen kann - bei genügend
hoher Induktion, also genügend hoher Aus= gangsspannung dieses Sensorglieds - auch
eine Brücken= schaltung aus vier Nagnetdioden verwendet werden, wie sie Big. 13
zeigt. Bei der dargestellten Schaltung ist voraus= gesetzt, daß alle vier Magnetdioden
130, 131, 132 und 133 eng nebeneinander angeordnet sind. Ein Vorwiderstand 134 dient
auch hier in vorteilhafter Weise zur Anpassung des Potential= niveaus der Ausgänge
135, 136 an das zur Ansteuerung erfor= derliche Potentialniveau der an das Sensorglied.angeschlossenen
Tran si staren.
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Bei den einzelnen Schaltungen können für die vom Hall-IC angesteuerten
Transistoren statt bipolaren Transistoren z.B. auch PlOSFET's vom selbstsperrenden
typ verwendet werden.
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