DE2555055C2 - Kollektorloser Gleichstrommotor - Google Patents

Description

dadurch gekennzeichnet,

eine Gegenkopplung (Gegenkopplungswiderstand 123) zur Linearisierung seiner Verstärkung aufweist.

4. Motor nach mindestens einem der Ansprüche 1 —3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Hall-IC (91) ein Konstantspannungsglied (112) zum Begrenzen seiner Betriebsspannung zugeordnet ist.

5. Motor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichr °i, daß der HaII-IC (9!) über einen Vorwiderstand (143) oder dergleichen auf ein Potential gelegt ist, das dem Potentialniveau des diesem HaIl-IC (91) nachgeschalteten Transistorverstärkers (z. B. 116, 125) angepaßt ist.

6. Motor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der als integrierte Schaltung ausgebildete Halbleiterverstärker des HaII-IC (91) als analog arbeitender Verstärker ausgebildet ist.

h) daß die roiorstellungsabhängigen Halbleiter-Steuermittel als HaII-IC (91), also als mit einem als integrierte Schaltung ausgebildeten Halbleiterverstärker verbundener Hallgenerator, ausgebildet sind,

i) und daß der mindestens eine Koppelkondensator (115, i22) zwischen einem Ausgang (113, 120) des Halbleiterverstärkers und einem Eingang des ihm nachgeschalteten Transistorverstärkers (116, 125,118,126) angeordnet ist.

2. Motor nach Anspruch I. bei welchem der Hall-IC (91) zwei antivalente Ausgänge (113, 120) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß einem an diesen HaII-IC (91) angeschlossenen Transistorverstärker (z.B. 116, 125) jeweils die volle Differenz zwischen den Potentialen an diesen beiden antivalenten Ausgängenil 13, 120) zugeführt ist.

3. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangstransistor (z. B. 116) des betreffenden Transistorverstärkers (z. B. 116, 125) jeweils Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen Gleichstrommotor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solcher Motor ist Gegenstand des zugehörigen Hauptpatents 24 19.432.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Motor nach dem Hauptpatent weiter zu verbessern und insbesondere seinen Betrieb auch bei höheren Betriebstemperaturen zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung bei einem eingangs angegebenen Motor gelöst durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 angegebener. Maßnahmen. Man erhält so einen kollektorlosen Motor, der auch bei höheren Betriebstemperaturen sicher arbeitet und dabei blockiersicher ist

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Ein Ausführung^cbeispiel de^r Erfindung ist im folgenden beschrieben und in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 eine Draufsicht auf den Stator eines als Flachmotor ausgebildeten, zweipulsigen, zweisträngigen kollektorlosen Gleichstrommotors, gesehen längs der Linie I-I der F i g. 2.

Fig. 2 einen Schnitt,gesehen längs der Linie H-Il der Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt, gesehen längs der Linie IH-IIi der Fig. 1,

Fig.4 eine Draufsicht auf den unteren Rotormagneten des Motors der Fig. 1—3, gesehen längs der Linie IV-IVder Fig. 2,

F ig. 5 die Schaltung des Motors nach den Fi g. 2—4 und

Fig. 6 und 7 Schaubilder zur Erläuterung der Wirkungsweise des Motors nach den Fig. 1—5.

Die vorliegende Erfindung findet bevorzugte, jedoch nicht ausschließliche Anwendung bei kollektorlosen Gleichstrommotoren, bei denen dem elektromagnetisch erzeugten Antriebsmoment ein Reluktanzinomcnt überlagert wird. Solche Motoren haben eine Wicklung, die im Betrieb nur ein reines Wechselfeld, also kein Drehfeld, erzeugt.

Sie sind ausführlich beschrieben unter anderem in folgenden Schriften, auf deren Inhalt zur Vermeidung übermäßiger Längen ausdrücklich Bezug genommen wird: Deutsche Offenlegungsschriflen 22 2.¹) 442,

22 39 167, 22 43 923. 22 52 727, 23 14 259, 23 21022,

23 32 012,23 58 030,25 32 551 und der DE-PS 23 4b 380.

Dies sind vor allem sogenannte zweipulsige Motoren, d. h. Motoren, bei denen der Statorwicklung pro Rotordrehung von 360° el. nur zwei Statorstromimpulse zugeführt werden.

Im folgenden wird zum besseren Verständnis der Erfindung eine Bauart eines solchen Motors kurz beschrieben, wobei jedoch darauf hinzuweisen ist, daß die Erfindung in keiner Weise auf diese Bauart beschränkt ist, sondern sich genauso z. B. auch bei Motoren mit ' zylindrischem Luftspalt verwenden läßt.

Die in den F i g. 1 —4 dargestellte Motorbauart ist ein sogenannter Flachmotor mit ebenem Luftspalt; bei solchen Motoren ist mit der Erfindung eine besonders starke Geräuschreduzierung möglich, was z. B. bei Antrieben für Phonogeräte wichtig ist.

F i g. 1 zeigt eine Draufsicht auf eine aus einem isolierepden Werkstoff bestehende Statorplatte 70, weiche Ausnehmungen aufweist, in denen zwei eisenlose Flachspulen 71 und 72 befestigt sind, die sich diametral gegenüberliegen. In der Mitte der Plaae 70 befindet sich eine Ausnehmung 74, durch welche eine Well"· 7> ragt, die an ihrem unteren Ende in Lagern gelagert ist Wie Fig.2 zeigt, sind auf dieser Welle, durch eine Uistanzhülse 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, weiche zu derjenigen des Ringmagnets 79 spiegelbildlich ist, geht aus Fig.4 hervor. Danach verlaufen die Pollücken 82 nicht genau radial nach auswärts, sondern gekrümmt und unter einem Winkel a^pha zu einem gedachten Radiusvektor 83, welcher durch die jeweilige Pollücke 82 verläuft. In F i g. 4 ist die ungefähre Richtung der Längsachse einer Pollücke 82 mit 84 bezeichnet. Da sich der Rotor 86, der im wesentlichen aus den Teilen 76—80 sowie der zugedachten Welle 75 besteht, in Richtung des Pfeiles 85 (Fig. 1 und 4) dreht, erkennt man, daß die gekrümmten Pollücken 82 entgegen de^r Drehrichtung gegenüber dem Radiusvektor 83 verdreht sind.

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 % •verlau'en jeweils etwa parallel zueinander. Sie bilden zwei Stränge, die in Fig.5 mit 51 und 52 bezeichnet sind. Der Strang 51 hat die Anschlüsse 87 und 89, der Strang 5 2 die Anschlüsse 88 und 90.

Neben der Spule '·"! ist ein Hall-IC 91 auf der Platte 70 befestigt, und zwar liegt er auf einem Radiusvektor 97, wt !chi r einen Winkel von ca. 45° mech gleich 90° el. mit der gemeinsamen Achse der Spulen 71 und 72 einschließt. Ein solcher HaII-IC ist aufgebaut als Hallgenerator, der mit einem als integrierte Schaltung ausgebildeten Halbleiterverstärker verbunden ist. Ein solcher HaII-IC hat z. B. bei einer Betriebsspannung von 8 V und einer Induktion von B = 0,1 T eine Potentialdifferenz von ca. 3 V zwischen seinen Ausgangsklemmen, welch letztere in Fig. 5 rr,it 113 und 120 bezeichnet sind. Der integrierte Halbleiter-Verstärker arbeitet hierbei als sogenannter analoger Verstärker, so daß die Ausgangsspannung des Hall-IC 91 ein Bild der jeweils auf den HaIl-IC 91 wirkenden magnetischen Induktion wird.

Ferner sind auf der der Drehrichtung entgegengesetzten Seite der Spule 71 und an sie anschließend zwei weichferromagnetisc&e 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 F i g. 3 hervor.

Fig.6A zeigt die Form der Magnetisierung B der Rotormagneten 78 und 79 über 360° el, also über der Hälfte ihres Umfangs. Diese Magnetisierung ist irapezförmig und hat einen etwa konstanten Wert zwischen etwa 45 und 135° el, sowie zwischen 225 und 315° el. Die in den Wicklungen 71,72 induzierte Gegen-EMK

ίο entspricht etwa der Form dieses Induktionsverlaufs, d. h. auch sie hat jeweils während etwa 90° el. ungefähr ihren maximalen Wert

Wichtig für einen guten Wirkungsgrad eines solchen Motors ist, daß den einzelnen Wicklungen möglichst nur dann ein Strom zugeführt wird, wenn in diesen Wicklungen von rotierenden Magneten 78, 79 gerade die höchste Gegen-EMK induziert wird. Je nach der Magnetisierung des Rotormagneten 78,79 kann diese Gegen-EMK verschiedene Formen haben. Be> sinusförmiger Magnctisierung hat sie Sinusform, uriü bei der — hier bevorzugten — trapezförmigen Magnetisierung hat sie Trapezform. Der Strom im betreffenden Strang wird eingeschaltet, wenn diese Gegen-EMK bereits hoch ist, und er wird abgeschaltet, während sie noch hoch ist. Dadurch werden die Leistungstransistoren 125,126 am wenigsten belastet, und die Motorgeräusche bleiben niedrig-
Vorteilhaft an der vorliegenden Schaltung ist, daß es bei Verwendung von HaII-ICs möglich ist, den Stromflußwinkel, die Form der einzelnen Ströme, und die Kommutierung je nach der Art der Magnetisierung des Rotormagneten 78,79 optimal festzulegen.

Bei den bekannten Hallgeneratorschaltungen, z. B. nach der US-PS 34 86 099, ist dies nicht möglich, da dort die Kommutierung zwangsweise jeweils nach 90 elektrischen Graden erfolgt.

So wird es möglich, den Motor sehr geräu^reharm auszubilden, also bei maximaler A usnutzung der Leistungstransisioren doch einen geräuscharmen Motor bei gutem Wirkungsgrad zu erhalten.

Aus diesen Gründen ist es wünschenswert, die Ströme in den Strängen 51 und 52, welche in Fig.6B dargestellt sind, nur dann fließen zu lassen, wenn diese Gegen-EMK ihren Maximalwert hat, da dann die Transistoren optimal genutzt werden (Arbeiten im Schaltbetrieb), und da dann — besonders bei Flachmotoren — die Geräusche am niedrigsten werden. Mit anderen Worten muß bei einem solchen Motor in der in Fig.6B 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. 7B mit M_ci bezeichnet ist und ebenfol'f um Tk herum eine entsprechende Lücke 101 aufweist.

Diese Momentenlücke 101 wird gefüllt durch ein Reluktanzmoment Mrei, das in Fig. 7A und 7B dargestellt ist und das e'.ien unsymmetrischen Verlauf bezüglich der Abszisse aufweist, d. h., daß es abwechselnd als Bremsmoment (Abschnitt 103) und als Antnebimoment (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. Man kann sich uiü Wirkungsweise am besten so vorstellen, daß die Fläche 103 Energie darstellt, weiche durch das elektromagnetische Drehmoment M_ci bereitgestellt und im magnetischen System des Motors durch das Zusammenwirken der Rotormagnete 78, 79 mit den Re-

!uktanzeisenstücken 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 M_ci und M„i ergibt sich das in Fig.7B mit 106 bezeichnete Summenmoment, das bei geeigneter Bemessung im Betriebspunkt des Motors einigermaßen konstant ist. (Die Darstellung nach F i g. 7B ist naturgemäß idealisiert.)

Die Schaltung nach F i g. 5 eignet sich besonders gut für Lüfter. Wenn ein solcher Lüfter durch irgendeine mechanische Sperre blockiert wird und sich nicht drehen kann, bewirkt die Schaltung nach F i g. 5 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 HaIl-IC 91 liegt an einer konstanten Spannung, die durch eine Zenerdiode 112 in Reihe mit einem Widerstand 143 erzeugt wird. Die Kathode der Zenerdiode 112 liegt dabei an einer Plusleitung UO, und der mit ihr in Reihe geschaltete Widerstand 143 ist an eine Minusleitung 111 angeschlossen. Der linke Ausgang 113 des HaII-IC 91 ist über einen Widerstand 114 mit der Minusleitung 111, über einen Kondensator 115 mit der Basis eines Silizium-pnp-Transistors 116, über einen Gegenkopplungswiderstand 117 mit dem Emitter eines pnp-Transistors 118 (mit 116 identisch) und über einen Entladewiderstand 119 mit der Basis des Transistors 118 verbunden. Ebenso ist der rechte Ausgang 120 des Hall-IC 91 über einen Widerstand 121 mit der Minusleitung 111, über einen Kondensator 122 mit der Basis des Transistors 118, über einen Gegenkopplungswiderstand 123 mit dem Emitter des Transistors 116, und über einen Entladewiderstand 124 mit der Basis des Transistors 116 verbunden.

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 des ersten Strangs 51 verbunden ist, dessen anderer Anschluß 89 an der Plusleitung 110 liegt. Eb.nso 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 des anderen Stranges 52 verbunden ist, dessen anderer Anschluß 88 an der Plusleitung 110 liegt

Die Kondensatoren 115 und 122 sind so groß gewählt, daß sie die Ausgangsspannung des HaII-IC 91 nicht differenzieren.

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, typisch 0.5 V. haben. Kommt nun z. B. ein Nordpol des Magneten 78 zum HaII-IC 91, so wird der Ausgang 113 negativer und der Ausgang 120 positiver. Die Folge ist, daß bis zum Oberschreiten 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 un des Hall-IC 91 etwa der magnetischen Induktion am Hall-IC 91 proportional ist und erst beim Überschreiten der in F i g. 6A mit ιι,ι, bezeichneten Schwellenspannung, also erst zum Zeilpunkt /1, ein Basisstrom zum Transistor 116 fließen kann. Nach Überschreiten von u,h fließt dann über den Kondensator 115 ein Basisstrom zum Transistor 116, wodurch sich der Kondensator 115 gleichzeitig etwas auflädt. Der Gegcnkopplungswiderstand 123 bewirkt, daß die Reihenschaltung von 116 und 123 für den HaII-IC wie ein hoher Widerstand wirkt und deshalb der Strom is\ (Fig. 6B) durch den vom Transistor 116 direkt angesteuerten Leistungstransistor 125 ziemlich genau den Verlauf der Hallspannung u«oberhalb von u,h abbildet.

Unterschreitet die Hallspannung die Spannung u,h wieder, so sperren die Transistoren 116 und 125 wieder und der Strom im Strang 51 wird unterbrochen. Dies erfolgt zum Zeitpunkt t₂. Es kommt dann ein Südpol des Rotormagneten 78 zum HaIl-IC 91, und nach Ablauf einer Zeitspanne T₅ (z. B. 45° el.) wird zum Zeitpunkt h 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 im Strang S 2 ein Strom ist zu P>ßen beginnt. 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 Strängen S1 und S 2 kommutiert.

Wird der Motor in einer Stellung blockiert, in der ein Nordpol des Rotormagneten 78 dem Hall-IC 91 gegenüberliegt, so wird der Ausgang 113 ständig negativer als der Ausgang 120. Es fließt nun zunächst in der beschriebenen Weis;: 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 'ädt 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 Transistors 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 Jntladewiderstand 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 HaII-IC 91 festgelegt ist — selbst reversiert.

Die Schaltung nach Fig.5 wurde für einen kleinen Lüfter mit einer Leistungsaufnahme von ca. 3 W bei 4000 U/min (Drehzahlbereich 3000 bis 5000 U/min) aufgebaut Betriebsspannung war 24 V. Es wurden folgende Bauelemente verwendet:

HaIl-IC 91
Zenerdiode 112
Widerstand 143
Kondensatoren 115,122

Honeywell 63 SS 2C
8.2 V
390 Ohm

Widerslände 119,124
Widerstände 117,123
Transistoren 116,118
Transistoren^, 126
Widerstände 114,121

je30kOhm je 1100 Ohm BC307C BC 337/25 je5,6kOhm

9er Motor war ein Flachmotor. Die Induktion der Roiormagneten 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 der Rotormagneten wird der Wirkungsgrad besser.

Die Schaltung nach F i g. 5 kann — entsprechend verdoppelt — auch für viersträngige Motoren verwendet werden, wodurch diese dann blockiersicher werden.

Die in Fig.5 dargestellten Widerstände 114 und 121 sind Tür den Betrieb eines HaIl-IC 91 vom Typ 63 SS 2C erforderlich, da wegen der Ankopplung über die Kondensatoren 115 und 122 die Halbleiterbauelemente des Hall-IC 91 sonst nicht mit dem erforderlichen Gleichstrom versorgt würden. — Wie F i g. 5 ferner zeigt, kann bei kleinen Leistungen mit Vorteil ein Widerstand zwischen Basis und Emitter des Endstufentransistors entfallen.

Bei F i g. 5 können für die vom Hall-IC 91 angesteuerten Transistoren statt bipolarer Transistoren z. B. auch MOSFETs vom selbstsperrenden Typ verwendet werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims (1)

1. Patentansprüche:
   1. ivollektoirloser Gleichstrommotor

   a) mit einem Stator,

   b) mit einem permanentmagnetischen Rotor,

   c) und mit rotorstellungsabhängigen Halbleiter-Steuermitteln (91), die bei Stillstand des Rotors mindestens ein wechselspannungsfreies Stellungssignal abgeben,

   d) ferner mit mindestens einem Transistorverstärker (116, 125,118, 126) zur Steuerung des Stromes in der Statorwicklung (51) oder den Statorwicklungen (51, 52) in Abhängigkeit von dem mindestens einen Stellungssignal der rotorstellungsabhängigen Halbleiter-Steuermittel (91).

   e) wöbe· -m Signalflußpfad des mindestens einen Stellutigssignals von den Halbleiter-Steuermitteln (9i) zu dem oder den Transistorverstärker(n) (I!i6, 125, 118, 126) jeweils ein Koppelkondensator (155, 122) vorgesehen ist,

   el) welcher so bemessen ist, daß er bei laufendem Motor das von ihm übertragene Stellungüsignal nicht differenziert;

   f) und dem Koppelkondensator (115, 122) ein Ladekreis und ein Entladekreis zugeordnet sind,
   fl) welche jeweils durch das Stel'ungssignal

   der rotorstellungsabhängigen Halbleiter-Steuermittel (91) alternierend aktivierbar und deaktivitrbar si.id, um abhängig von dem Augenblicrcsiyert des Stellungssignals dem Koppelkondensa or (115, 122) eine Ladung zuzuführen bzw. ihm eine Ladung zu entnehmen,

   g) und wobei der Entladekreis (119, 124) mindestens teilweise außerhalb des genannten Signalflußpfades angeordnet ist, so daß der Koppelkondensator (1*5, 122) bei blockiertem Motor eine Sperrung des Signalfiußpfades und damit einen im wesentlichen stromlosen Zustand der mindestens einen Statorwicklung (51, 52) bewirkt, nach Patent 24 19 «2