DE2608561A1

DE2608561A1 - Elektrische maschine

Info

Publication number: DE2608561A1
Application number: DE19762608561
Authority: DE
Inventors: Johannes Hendrikus Hub Janssen
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1975-03-14
Filing date: 1976-03-02
Publication date: 1976-09-23
Also published as: GB1507604A; DE2608561C2; BE839541A; JPS51111609A; CH608144A5; AU504515B2; SE7602428L; AT344821B; JPS5843991B2; CA1051969A; FR2304206B1; NL7503046A; ES446011A1; ATA179576A; US4074173A; SE436458B; IT1057721B; FR2304206A1; AU1193776A

Description

PHN. 79 'ι ο.

!>{„». V- - -■·■- - "'?AXW Va/EVH.

Α»..· .-.τ. H. V. Philips' Gioe!!cint:oniabrieken 12.1.1 976,

Λησ,ί¹ -..■:;. ....,; 1. liäri: 1976

Elektrische Maschine

- Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine mit einem elektronischen Kollektor und mit einem wenigstens teilv/eise aus magnetischem Material bestehenden Läufer, der mit stationär angeordneten Ständerspulen zusammenarbeitet, welche Maschine mit einer Anzahl magnetfeldempfindlicher Elemente, insbesondere Ha11-Elemente, versehen ist, mit deren Hilfe in Abhängigkeit von der Lage des Läufers elektrischer Strom selektiv zu den Ständerspulen geschickt wird.

Eine derartige Maschine ist aus der USA-Patentschrift Nre 3 ^86 099 bekannt, nach der die genannten Spu3.en zwei unter 90° zueinander angeordneten Spulen mit Mittelanzapfung sind. Der Läufer besteht dabei aus einem

609839/0 692

N.79 ho,

12.1.76. -Z-

dauernd magnetischen Material mit einer diametralen Nord-Süd-Magnetisation, Im Magnetfeld dieses Läufers befinden sich zwei Hallelemente, die in bezug auf die Läuferachse unter einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind. Auf diese Tveise induziert das Feld des sich drehenden Läufers Signale mit einem Phasenunterschied von 9°°} die den Stroi.i durch die genannten Spulen steuern₅ wodurch ein Drehfeld synchron mit der Läuferbewegmig erzeugt wirdo

Auch bei anderen Motoren, z.B. Dreiphaseninotoren, kann das gleiche Prinzip angewandt werden und können z.B. drei Hallelemente unter einem ¥inkel von 120° zueinander angeordnet sein.

Das bekannte Felddetektiönsverfahren zur.

Steuerung des Stromes durch die Ständerspulen weist den Nachteil auf, dass für jedes benötigte Hallelement ein Raum zwischen dem Ständer und dem Läufer ausgespart werden soll, während ausserdem für jedes Hallelement eine Anzahl von. Signal- und Speiseieitungen angebracht werden soll.

Die Erfindung bezweckt, eine Maschine zu

schaffen, bei der der genannte Nachteil nicht auftritt, und ist dazu dadurch gekennzeichnet, dass auf einem mit dem Läufer verbundenen Körper mehrere mit je einem der magnetempfindlichen Elemente zusammenarbeitende magnetisch kodierte Spuren angebracht sinde

60983S/0692

PHw · "/Dhv» 12.1.76ο

Bei Anwendung einer Maschine nach der Erfindung können die Hallelemente an nahezu jeder dazu geeigneten Stelle innerhalb oder gegebenenfalls ausserhalb der Maschine angebracht v/erden.

Zum Erhalten einer einfachen Bauart sind bei einer bevorzugten Ausfiihrungsform einer Maschine nach der Erfindung die magnetisch kodierten Sptiren konzentrische Ringe, die auf einem scheibenförmigen Körper angebracht sind, der nahezu parallel zu einer der axialen Begrenzungsflächen des Läufers auf der Achse des Läufers angebracht ist,

:·... . Neben den vorgenannten Nachteilen des bekannten Motors ist "die Anwendung räumlich verschobener Hallele;-nente beim Zusammenbauen des Motors nachteilig, weil für jedes Halleleinent eine Anzahl mechanischer und elektrischer-Verbindungen hergestellt werden soll, wobei die gegenseitige Lage genau eingestellt werden muss.

Da bei der Maschine nach der Erfindung mehrere mehr oder weniger unabhängig kodierte Spuren angebracht werden können, ist die Erfindung, um den zuletzt genannten Nachteilen entgegenzukommen, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die magnetempfindliehen Elemente auf einer einzigen Trägerplatte angebracht sind.

Bei Anwendung magnetempfindlicher Elemente, die aus Halbleitermaterialien hergestellt worden können, wie dies mit Hallelementen der Fall ist, ist es nach der

609839/0692

12.1.76.

Erfindung besonders vorteilhaft, wenn die genannte Trägerplatte ein Halbleiterkristall ist, in dem mit Hilfe integrierter Schaltungstechniken die genannten magnetfeldempfindlichen Elemente zusammen mit einer Verstärkerschaltung angebracht sind, welche Schaltung die Signale der magnetfeldempfindlichen Elemente verstärkt, wobei die Ausgänge dieser Verstärkerschaltung zu den Ständerspulen führen.

In bezug auf die gegenseitige Lage der magnetisch kodierten Spuren ist die elektrische Maschine nach der Ex-findung mit η Phasen dacHirch gekennzeichnet, dass η magnetfeldempfindliche Elemente auf einer einzigen Trägerplatte angebracht und in bezug auf ein erstes magnetfeldempfindliches Element über einen Winkel ψ. verschoben sind, wobei i gleich 2...η ist, und dass die mit den entsprechenden magnetfeldempfindliehen- Elementen zusammenarbeitenden Spuren in-bezug auf eine erste Spur über

Winkel — (i-l)- V . verschoben sind. Der Index i ist

hier eine Rangnummer. Die η magnetfeldempfindlichen Elemente schliessen in bezug auf ein erstes Element Winkel j _o ···ψ ein und die zugehörigen η magnetisch kodierten Spuren sind in bezug auf eine entsprechende

erste Spur über Winkel ^- — - /_o .·. - ... — (n-l)- ι

η «c η ^s ' η

verschoben.

Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Dreiphasenmaschine,

6 09839/0892

PHN.

12.1.76.

Bei Dreipliasenmaschinen können drei magnetfeidempfindliche Elemente dazu verwendet werden, drei Signale mit einem gegenseitigen Phasenunterschied von 120° zu erzeugen, die die drei Ständerspulen speisen. Werden als magnetf eldexnpf indliche Elemente z.B. Hallelemente verwendet und werden diese Hallelemente auf ähnliche Weise wie nach der genannten USA-Patentschrift in eine elektronische Schaltung aufgenommen, so sind pro Hallelement zwei Signale mit einem gegenseitigen Phasenunterschied von 18O^ verfügbar, Werden zwei Hallelemente, die räumlich in bezug auf die Läuferachse über 120° verschoben sind, verwendet, so liefern zwei der vier Signale, wenn sie zueinander addiert werden, eine dritte Phase, so dass mit zwei Hallelementen dreiphasige Signale erhalten werden können.

Da es bei Anwendung der Maschine nach der Erfindung möglich ist, die magnetfeldempfindlichen Elemente - einschliesslich der zugehörigen elektronischen Schaltung - in eine einzige integrierte Schaltung aufzunehmen, ist es vorteilhaft, bei einer elektrischen Dreiphasenmaschine nach der Erfindung, die zwei Hallelemente enthält, deren Hallelektroden mit Verstärkerschaltungen verbunden sind, deren Ausgänge zu den Ständerspulen führen, dass eine Hallelektrode des einen Hallelements oder ein Punkt der von diesem Element gesteuerten Ver-

609839/0692

ΡΗΪΓ

12.1.76 - 6 -

stärker schaltung mit einer Hallelektrode des anderen Hallelements oder einem entsprechenden Punkt der von diesem Element gesteuerten Verstärkerschaltung verbunden ist, wobei die Verstärkerschaltung von der genannten Verbindung her gemeinsam sein kann und der Ausgang (die Ausgänge) derselben mit einer der Ständerspulen verbunden ist(sind)·

Eine derartige Maschine nach der Erfindung, die dreiphasig ausgeführt ist und zwei magnetisch kodierte Spuren enthält, die mit zwei magnetfeldempfindliehen Elementen zusammenarbeiten, die in eine einzige integrierte Schaltung aufgenommen sind, ist in bezug auf eine Dreiphasenmaschine nach der Erfindung, die mit drei magnetisch kodierten Spuren versehen ist, die mit drei magnetfeldempfindlichen Elementen in einer einzigen integrierten Schaltung zusammenarbeiten, bei der Massenherstellung preiswerter Maschinen vorteilhafter. Dann brauchen keine strengen Anforderungen an die Toleranzen der Breite der magnetisch kodierten Spuren gestellt zu werden, weil es genügend ist, dass sich beide magnetfeldempfindlichen Elemente zu beiden Seiten der Trennlinie zwischen den beiden Spuren befinden» Tfürden drei Spuren mit drei magnetfeldempfindlichen Elementen verwendet werden, so müssen an die Toleranzen der mittleren Spur strenge Anforderungen gestellt werden, weil diese mittlere Spur

609839/0692

. 79't 12.1.76 - 7 -

mit dem mittleren magnetfeldempfindlichen Element zusammenarbeitet, das in die integrierte Schaltung aufgenommen ist, deren Abmessungen aus technologischen Gründen beschränkt sind.

Die Erfindung wird nunmehr an Hand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch und schaubildlich einen kollelctorlosen Gleichstrommotor nach der Erfindung,

Fig. 2 mehr im Detail eine magnetisch kodierte Scheibe mit zwei in um 120° voneinander verschiedenen Richtungen magnetisierten Ringen und zwei Hallelementen,

Fig» 3 die in den Hallelementen nach Fig. 2 erzeugten Hallspannungen bei Rotation der Scheibe nach Fig. 2,

Fig. k ein Vektordiagramm für die Zusammensetzung einer dritten Phase aus zwei anderen Phasen, und

Fig. 5 zwei Hallelemente, die in eine elektronische Schaltung zum Erzeugen eines Dreiphasensignals aufgenommen sind.

Die Maschine nach Fig. 1 besteht aus einem dauernd magnetisierten Läuferkörper 1, der auf einer Läuferachse 2 angebracht ist. Der Läuferkörper 1 ist von stationär angeordneten Spulen 3 und einem Gehäuse h umgeben. Auf der Läuferachse ist eine Scheibe 5 angebracht, auf der zwei zueinander um 90° verschobene, magnetisch

60983970692

12.1.76.

kodierte Spuren 6 und 7 angebracht sind. Parallel zu dieser Scheibe 5 ist eine integrierte Schaltung 8 angebracht, die zwei magnetfeldempfindliche Elemente enthält, die mit den Spuren 6 und 7 zusammenarbeiten. Die integrierte Schaltung 8 ist auf einer schematisch dargestellten Abstützung 9 befestigt, die mit dem Motorgehäuse 4 verbunden ist. Der Deutlichkeit halber sind die unterschiedlichen elektrischen Verbindungen nicht in der Zeichnung dargestellt. Die elektrischen Verbindungen zu der integrierten Schaltung 8 können z.B. auf der Abstützung 9 angebracht werden. Die Maschine nach Pig. T ist eine Vierphasenmaschine.

Fig. 2 zeigt schaubildlich ein Ausfiihrungsbeispiel einer Scheibe 5 für eine Dreiphasenmaschine mit zwei schematisch dargestellten Hallelementen 10 und 11. Die Scheibe 5 ist mit zwei Spuren 6 und 7 .versehen, die um 120° zueinander verschoben sind. Die Spuren sind dabei derart magnetisiert, dass die Feldstärkekomponente senkrecht zu der Oberfläche des Ringes ein sinusförmiges Muster als Funktion der Stelle auf dem Ring ist, was in der Figur symbolisch mit Pfeilen angedeutet ist, Die integrierte Schaltung 8 enthält die zwei Hallelemente 10 und 11 und nicht näher dargestellte elektronische Mittel. Auch die unterschiedlichen elektrischen Leitungen sind nicht näher dargestellt. Bekanntlich besteht ein Hallelement

6098 39/069 2

pun.79^0.

12.1.76.

aus Halbleitermaterial, durch das zwischen den Anschluss— punkten 12 und 13 ein Strom geschickt wird. In einer Richtung senkrecht zu der Richtung dieses Stromes wird die Hallspannung entnommen» In der Zeichnung erfolgt dies bei den Hall element en 10 vaxd 11 zwischen den Anschluss" punkten 14 und 15 bzw. 16 und 17· Diese Hallspannungen sind der PeIdstärkekomponente senkrecht zu der Stromrichtung und senkrecht zu den Hallelementen proportional.

Wenn die Lage der Scheibe 5 mit dem Winkel T bezeichnet wird und die Nord-Sud-Magnetisationsrichtungen die in Fig. 2 mit den Pfeilen angedeutete Richtungen sind, zeigt Fig. 3 die zugehörigen Hai!spannungen V₁ und Vp, die zwischen den AnSchlusspunkten 14 und 15 bzw. 16 und entnommen werden, als Funktion des Winkels J , Wie aus Figo 2 hervorgeht, ist V_ ein Signal, das einen Phasenunter schied von 120° mit dem Signal V.. aufweist.

Wenn von den Signalen V₁ und Vp auch die Inversen , also die über 180° in Phase verschobenen Signale, vorhanden sind, lässt sich eine dritte Phase V~ einfach erzielen, wie durch das Vektordiagramm nach Fig. k veranschaulicht wird. Die dritte Phase V„ entsteht durch Addition der Xixversen von V₁ und Vp.

Fig. 5 zeigt eine elektronische Schaltung, in die zwei Bauelemente 10 und 11 aufgenommen sind. Die Hallelemente 10 und 11 sind auf entsprechende Weise wie in

609839/0692

. 79^0. 12.1.76.

Pig. 2 bezeichnet und zwischen den Basis-Elektroden als Differenzverstärker geschalteter Transistorpaare T₁, T₀ bzw. To» Tj, eingeordnet, wobei jedes Paar gemeinsame Emitterwiderstände R und Kollektorwiderstände R aufweist, und wobei der Einfachheit halber die beiden Bmitterwiderstände R und die Kollektorwiderstände R einander gleich gewählt sind«, Durch diese Schaltungsweise verlaufen bei Anwendung einer Scheibe nach Fig« 2 die Signalspannung Über dem Kollektorwiderstand des Transistors T₁ und die Signalspannung über dem Kollektorwiderstand des Transistors To entsprechend den Signalen V- bzw. V₀ nach Fig. 3» Die Signalspannungen über den Kollektorwiderständen der Transistoren T₀ und T;, sind dabei entsprechend -V₁ bzw. -V₀. Wenn die Kollektoren der Transistoren T„ und Tjl, wie in Fig. 5 angegeben ist, miteinander verbunden werden, fliesst die Summe der Kollektorströme der Transistoren T₀ und Tr durch die zwei parallel geschalteten Kollektorwiderstände R und erzeugt über diesen eine Spannung entsprechend *-(V₁+Vp)/2 oder aber die dritte Pha.se V„, wie aus dem Vektordiagramm nach Fig. k hervorgeht. Die Kollektor spannungen der Transistoren T₁, T₀, T₀ und Tj, werden von den V erstärker schaltwagen (T-, IV), (Τ_, Tn), (Tq, T₁₀) bzw. (¹T₁₁, T₁P) verstärkt. Dadurch, dass die Kollektoren der Transistoren T₀ und Tl miteinander verbunden sind, verstärken die Verstärkerschaltungen (Τ_, Tp) und

6 09839/0692

PHN.79^0. 12.1.76.

(T₁₁ , ^₁₂) dieselben Signale, so dass auch die Kollektoren der Transistoren Tg und T₁₂ miteinander verbunden werden können. Die unterschiedlichen Verstärkerschaltungen sind dabei derart bemessen und eingestellt, dass die Transistoren T^, Tg, T₁₀ und T₁₂ von den Signalen V₁, V₀ und V„ in Sättigung gesteuert werden können, wodurch rechteckförmige Ausgangssignale den Kollektoren der Transistoren T,-, Tg, T-_o und T₁₂ entnommen werden können, deren Ampli~ tuden durch die Sättigungszustände der verschiedenen Transistoren bestimmt werden. Dadurch weisen die drei Phasen die gleiche Amplitude auf und tritt ein Mindestspannungsabfall über den Ausgangstransistoren T^-, Tp, T_1fi und T-p auf, wenn sich diese im gesättigten Zustand befinden und die verschiedenen Ständerspulen ansteuern. Die Maschine besitzt dabei annahmeweise drei Ständerspulen, die in die Kollektorkreise der Transistoren T^, T₁₀ bzw. den gemeinsamen Kollektorkreis der Transistoren Tg, T₁₂ aufgenommen sind. Die Transistoren T^, Tg, T₁₀ und T₁₂ sind in eine gemeinsame Emitterschaltung aufgenommen und bilden einen "Viertransistorendif f erenzverstärkerl!. Bei genügend grossen Steuersignalen an den Basis—Elektroden dieser Transistoren wird dadurch sichergestellt, dass jeweils nur einebStänderspule erregt wird.

Ein Vorteil der Schaltung nach Fig. 5 ist der, dass, wenn die Verbindungsleitung zwisehen ,den Kollektoren

6P9839/0692

PHN.79^0. 12_O1.76.

dor Transistoren T^ und Tl und die Vei^bindungs leitung zv.'isclien den Kollektoren der Transistoren T_Q und T_{1 o}

O l et

ausserhalb der integrierten Schaltung angebracht werden, diese integrierte Schaltung auch bei einer "Vierphasenmaschine nach der Erfindung verwendet werden kann, indem einfach die genannten Verbindungen nicht angebracht werden,

¥enn die Schaltung nach Fig. 5 nicht sowohl für eine Drei- als auch für eine Vierphasenmaschine anwendbar zu sein braucht, genügt es, die Iiallelektroden 15 und miteinander zu verbinden. Die zugehörigen Teile der elektronischen Schaltung, und zwar die Transistoren T„, T^ und Tg bzw. die Transistoren T„ , Tg und T₁₀, können dann gemeinsam ausgeführt werden.

Es versteht sich, dass sich die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Die magnetisch kodierten Spuren können z.B. auf einem trommelförmigen Körper und sogar auf einem· nichtmagnetisierten Teil des Lauferkörpers angebracht werden. Auch ist die Anzahl Spuren, Phasen und magnetfeldempfind— licher Elemente und sind die eingenommenen Lagen nicht auf die der beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. In bezug auf den magnetischen Code, der auf den Spuren angebracht ist, sind zahlreiche Aenderungen möglich, w5.e Aenderung der Feldstärke und Feldrichtung am Umfang des kodierten Ringes, z.B. zum Erzeugen rechteckiger

609839/0692

PIiNo 79^0, 12.1.76.

oder sägezahnförmigor Signale, Ausserdera können alle dargestellten Ausfuhrungsforraen auch, mit nagnetempfindlichen Elementen ausgebildet sein, die gegebenenfalls auf einer einzigen Trägerplatte angebracht und nicht in eine integrierte Schaltung aufgenommen sind. Aussor Hallelementen lassen sich verschiedene andere magnetfeldempfindliche Elemente, wie z.B. magnetfeIdempfindIiehe Widerstände vorwenden, während sich der Ausdruck "magnetisch kodierte Spur" nicht auf das in Fig„ 2 dargestellte Beispiel beschränkt. Eine vollständig magnetisierte Scheibe ist z.B. aixch anwendbar.

609839/0692

Claims

Pi. 79^0,

12.1.76.

PATESTANSPHüjJCHS:

ΙΌ / Elektrische Maschine mit einem elektronischen Kollektor und mit einem v/enigstens teilweise aus magnetischem Material bestehenden Läufer, der mit stationär angeordneten Ständerspulen zusammenarbeitet, welche Maschine mit einer Anzahl magnetempfindIieher Elemente, insbesondere Hallelenente, versehen ist, mit deren Hilfe in Abhängigkeit von der Lage des Läufers elektrischex-Stroni selektiv su den St&nderspulen geschickt vrird, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem mit dem Läufer, verbundenen Körper mehrere mit je einem der magnetfeld— empfindlichen Elemente zusammenarbeitende magnetisch kodierte Spuren angebracht sind.
2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisch kodierten Spuren konzentrische Ringe sind, die auf einem scheibenförmigen Körper angebracht sind, der nahezu parallel zu einer der axialen Begrenzungsflachen des Läufers auf der Achse des Läufers angebracht ist.
3. Elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetempfindlichen Elemente auf einer einzigen Tragerplatte angebracht sind,
4. Elektrische Maschine nach Anspruch 3» dadurch, gekennzeichnet, dass die genannte Trägerplatte ein

6098 39/0S92

PHIi. 79'·: O₀ 12.1.76.

Halbleiterkristall ist, in dem mit Hilfe integrierter Schaltungstechnilcen die genannten magnetempfindliehen Elemente zusammen mit einer Verstärkerschaltung angebracht sind» welche Schaltimg die Signale der magnetempfindlichen Elemente verstärkt, wobei die Axisgänge dieser Verstärkerschaltung zu den Ständerspulen führen.
5. Elektrische Maschine nach Anspruch 3 oder h, dadurch gekennzeichnet, dass η magnetempfindliche Elemente auf einer einzigen Trägerplatte angebracht und in bezug auf.ein erstes magnetf eldempfindlich.es Element über Winkel¹^, verschoben sind, wobei i gleich 2...η ist, und dass die mit den entsprechenden magnetfeldempfindlichen Elementen zusammenarbeitenden Spuren in bezug auf eine

*3 /ZC\ O f'J

erste Spur über Winkel — (i-l)- T . verschoben sind.

6» Elektrische Dreiphasenmaschine nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, die mit zwei Hallelementen versehen ist, deren Hallelektroden mit Verstärkerschaltungen verbunden sind, deren Ausgänge zu den Ständerspulen führen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hallelektrode des einen Hallelements oder ein Punkt der von diesem gesteuerten Verstärkerschaltung mit einer Hallelektrode des anderen Hallelements oder einem entsprechenden Punkt der von diesem gesteuerten Verstärkerschaltung verbunden ist, wobei die Verstärkerschaltung von den genannten Verbindungen her gemeinsam sein kann und ihr(e) Ausgang (Ausgänge) mit einer der Standerspulen verbunden ist (sind),

,6 09839/0692

Leerseite