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Gleichstrom-Kleinmotor
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Gleichstrom-Kleinmotor mit elektronischer
Kommutierung zur Drehzahlsteuerung in beiden Drehrichtungen und mit Hallgeneratoren
zur Erfassung des Luftspaltflusses und Transistoren zur Steuerung des Motorstromes
und mit von den stromlosen Strängen der Motorwicklung erzeugter Tachometerspannung.
Bei diesen sogenannten Elektronikmotoren ergeben sich durch den Wegfall des mechanischen
Kollektors Merkmale, die sowohl im Kommerziellen wie auch in industriellen Geräten
von Vorteil sind, beispielsweise wartungsfreier Antrieb, hohe Lebensdauer und Drehzahlregelbarkeit.
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Im Gegensatz zum Kollektormotor trägt beim Elektronikmotor, der vorzugsweise
für Stellantriebe sowie für Präzisionsantriebe mit Drehmomentregelung und drehzahlgeregelte
Kleinantriebe verwendet wird, der Ständer die Nutzwicklung, durch die der Motorstrom
fließt. Dieser wird von dem elektronischen Kommutator in Abhängigkeit von der Lage
des Läufers so geschaltet, daß eine Drehdurchflutung entsteht, die zusammen mit
dem Läuferfluß das Drehmoment bildet. Der Läufer ist im allgemeinen ein zweipolig
diametral magnetisierter, zylindrischer Dauermagnet. Die Stränge der Ständerwicklung
sind zu einem Sternpunkt zusammengefaßt.
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Die Stellung des Läufers zur Wicklung wird von zwei Hallgeneratoren
erfaßt, die im Luftspalt des Motors angeordnet sind und den Strom in den Strängen
der Ständerwicklung mit Hilfe von
Transistoren der Elektronik steuern.
Jedem Strang der Ständerwicklung ist eine Vorstufe und eine Leistungsstufe zugeordnet,
die jeweils einen Transistor enthalten. Der elektronische Kommutator wird mit den
Wicklungsanschlüssen verbunden und schaltet die Stränge der Ständerwicklung so,
daß eine Drehdurchflutung entsteht, die zusammen mit dem Läuferfluß das Drehmoment
bildet.
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Die elektrischen Anschlüsse des Motors sind mit den entsprechenden
Bauelementen der Elektronik im allgemeinen über einen sogenannten Kabelbaum verbunden.
Man hat den Aufbau solcher Gleichstrom-Kleinmotoren mit Drehzahlsteuerung in einer
Drehrichtung und entsprechend geringer Anzahl von Steuerelementen der Elektronik
auch schon dadurch vereinfacht, daß die Elektronik am Lagerschild des Motors befestigt
worden ist. Bei solchen Motoren mit aufgesetzter Elektronik entfällt somit das Verbindungskabel
zwischen dem Motor und der Elektronik, die im allgemeinen auf einer Leiterplatte
angeordnet ist, welche als Einschub-Bauteil gestaltet sein kann.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Elektronik eines
Gleichstrom-Kleinmotors mit Drehzahlsteuerung in beiden Drehrichtungen so zu vereinfachen
und zu gestalten, daß die gesamte Elektronik am Lagerschild angeordnet werden kann.
Der Motor soll außerdem in beiden Drehrichtungen unabhängig von der Steuerung abschaltbar
sein und seine Außenmaße sollen durch die aufgesetzte Elektronik nur unwesentlich
vergrößert werden.
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Es ist bekannt, daß von Transistoren und elektrischen Widerständen
sowie anderen elektronischen Bauelementen, beispielsweise Dioden, jeweils eine größere
Anzahl in integrierter Bauform zu einem gemeinsamen Bauteil vereinigt werden können.
Durch den inneren Aufbau solcher integrierter Bauteile ergibt sich jedoch die zwingende
Forderung, daß von allen in dem Bauteil zusammengefaßten Einzelelementen immer ein
vorbestimmtes Element an einem seiner elektrischen Anschlüsse, beispielsweise bei
den Transistoren, mit seinem Emitter stets auf dem negativsten Potential liegen
muß. Diese Forderung muß somit auch erfüllt sein,
wenn man aus der
Motorelektronik mehrere Bauteile zu einer integrierten Baueinheit zusammenfassen
will. Die Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, daß in der Elektronik eines Gleichstrom-Kleinmotors
der eingangs genannten Art die beiden Steuertransistoren für jeweils eine Drehrichtung
so geschaltet werden können, daß das Potential ihrer Emitter stets negativer ist
als die Potentiale sämtlicher Elektroden der von ihnen angesteuerten Transistoren.
Es wurde ferner erkannt, daß durch geeignete Dimensionierung der Widerstandswerte
mehrere Widerstände der Elektronik durch Widerstandsarrays aus gleich großen Einzelwiderständen
aufgebaut werden können.
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Die genannte Aufgabe wird deshalb erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß erstens die von den Hallgeneratoren gesteuerten Transistoren der Vorstufen gemeinsam
mit dem zugeordneten Steuertransistor für die zugehörige Drehrichtung, zweitens
die Kollektorwiderstände aller Transistoren der Vorstufen gemeinsam mit den die
Tachometerspannung zuführenden Widerständen, und drittens sämtliche Widerstände
der Eingangsstufen für die Richtungsansteuerung jeweils in einer integrierten Baueinheit
zusammengefaßt sind und daß die Elektronik für die Drehzahlsteuerung mit jeweils
einem Schaltelement zur unabhängigen Abschaltung in beiden Drehrichtungen mit dem
Motor eine gemeinsame Baueinheit bildet. In einer bevorzugten Ausführungsform des
Gleichstrom-Kleinmotors können auch die Potentialbegrenzungsdioden der Elektronik
in einer integrierten Baueinheit zusammengefaßt sein.
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Ferner können unter Umständen auch die übrigen Transistoren, beispielsweise
die für beide Drehrichtungen gemeinsamen Transistoren der Leistungsstufen und die
Transistoren der Richtungsansteuerung zu einem integrierten Bauteil zusammengefaßt
werden.
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Die gesamte Elektronik hat dann nur einen geringen Platzbedarf und
vergrößert, wenn sie am Lagerschild des Motors befestigt wird, die Außenmaße des
Motors nur unwesentlich. Man erhält somit einen verschleißarmen Motor mit Drehzahlregelung
in beiden Drehrichtungen, der in jeder der beiden Drehrichtungen unabhängig
von
der Steuerspannung abschaltbar ist, beispielsweise durch Endschalter. Der Motor
mit aufgesetzter Elektronik benötigt nur 6 Anschlußleiter, weil ihm lediglich die
Steuerspannungen und die Versorgungsspannung zugeführt werden müssen. Damit ergibt
sich eine entsprechend einfache Anschlußmöglichkeit.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug
genommen, in der ein Ausführungsbeispiel eines Gleichstrom-Kleinmotors mit aufgesetzter
Elektronik nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist. Die Figuren 1 und
2 zeigen die Schaltung des Motors und in Figur 3 ist die Anordnung der Elektronik
auf einer Leiterplatte veranschaulicht.
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Nach Figur 1 enthält der Luftspalt 4 eines bürstenlosen Gleichstrom-Kleinmotors
2 mit einem Läufer 8 und einem Ständer 10 zwei Hallgeneratoren 5 und 6, die am Umfang
des Läufers 8 um 900 gegeneinander versetzt angeordnet sind. Der zylindrische Läufer
8 ist diametral magnetisiert. Sein magnetischer Fluß 12 schließt sich durch den
Ständer 10, wie es in der Figur gestrichelt angedeutet ist. Die Ständerwicklung
besteht aus vier Strängen 14 bis 17, die in Stern geschaltet sind. Der Sternpunkt
18 ist mit dem Eingang N für negatives Potential einer Elektronik 20 verbunden.
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Die beiden Hallgeneratoren 5 und 6 sind in bekannter Weise über eine
Zenerdiode 24 sowie jeweils einen Begrenzungswiderstand 25 bzw. 26 an einen Eingang
M der Elektronik 20 angeschlossen. Der Hallgenerator 5 steuert über Transistoren
27 und 28 einer Vorstufe 32 für eine Drehrichtung sowie zwei Transistoren 33 und
34 einer Vorstufe 38 für die andere Drehrichtung und Transistoren 41 bzw. 42 einer
gemeinsamen Leistungsstufe 40 den Strom in den Strängen 14 und 16 der Motorwicklung.
In gleicher Weise steuert der Hallgenerator 6 über Transistoren 29 und 30 der Vorstufe
32 sowie Transistoren 35 und 36 der Vorstufe 38 und Transistoren 43 bzw. 44 der
gemeinsamen Leistungsstufe 40 den Strom in den Strängen 15 und 17 der Motorwicklung.
Die Elektronik 20 enthält ferner jeweils einen Steuertransistor 31 bzw. 37 für die
Drehzahlsteuerung in einer der beiden Drehrichtungen, deren Steuerkreise
jeweils
ein Potentiometer P1 bzw. P2 zur Einstellung der Steuerkennlinie des Motors 2 enthalten.
Drei weitere Transistoren für die Ansteuerung sind in der Figur mit 46 bis 48 bezeichnet.
Die Steuerelektroden, d.h. in der Ausführungsform nach Figur 1 die Basis der Eingangstransistoren
46 und 47 sind an einen Eingang E der Elektronik 20 angeschlossen, an den ein positives
Steuerpotential + UE für den Betrieb des Motors 2 in einer Drehrichtung und ein
negatives Potential - UE für die andere Drehrichtung angelegt werden kann.
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Den Transistoren 46 bis 48 für die Ansteuerung in beiden Drehrichtungen
sind ferner Widerstände 50 mit unterschiedlichen Funktionen zugeordnet, die im einzelnen
mit 52 bis 57 bezeichnet sind. Die gemeinsamen Kollektorwiderstände 70 der beiden
Vorstufen 32 und 38 sind in der Figur mit 62 bis 65 bezeichnet.
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Die Emitter der Transistoren 41 bis 44 der Leistungsstufe 40 sind
über einen gemeinsamen Emitterwiderstand 68 an den Eingang M und über Dioden 72
sowie jeweils einen Tachometerwiderstand 66 bzw. 67 und Glättungskondensatoren 76
bzw. 77 sowie einen gemeinsamen Begrenzungswiderstand 78 an den Eingang N der Versorgungsspannung
der Elektronik 20 angeschlossen. Ein Eingang für positives Potential ist mit P bezeichnet.
Die Dioden 72 übertragen die negative Spannung an den Strängen 15 bis 17 der Motorwicklung
als Istwert für die Drehzahlregelung zu den Tachometerwiderständen 66 und 67.
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Unabhängig von der Steuerung des Motors 2 in einer Drehrichtung durch
Anlegung eines positiven bzw. negativen Steuerpotentials UE am Eingang E sind in
der Elektronik 20 Bauelemente vorgesehen, mit denen der Motor 2 in beiden Drehrichtungen
abgeschaltet werden kann. Diese Wirkung haben beispielsweise Widerstände 82 und
83, mit deren Hilfe jeweils über einen Eingang S1 bzw. S2 das Emitterpotential der
angeschlossenen Steuertransistoren beeinflußt werden kann. Legt man einen Eingang
S1 bzw. S2 über einen Schalter an den Eingang M oder ein positiveres Potential,
dann werden die Steuertransistoren der zugeordneten Vorstufe 38 bzw.
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32 gesperrt, und zwar unabhängig von der Ansteuerung durch die Hallgeneratoren.
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Zur Steuerung oder Regelung der Drehzahl des Motors 2, beispielsweise
im Rechtslauf, wird über den Eingang E ein positives Steuerpotential vorgegeben,
das über die Transistoren 47 und 48 den Transistor 31 aussteuert. Dieser Transistor
führt über seinen in der Figur nicht näher bezeichneten Kollektorwiderstand den
Emittern der Vorstufen-Transistoren 27 bis 30 negatives Potential zu. In der durch
einen Nordpol N und einen Südpol S angedeuteten Stellung des Läufers 8 wird der
Hallgenerator 5 vom Läuferfluß durchsetzt und öffnet den Transistor 28, der über
seine Leistungsstufe 42 den Strom in der Motorwicklung 14 steuert, so daß sich in
dieser Wicklung ein Magnetfeld mit der an der Wicklung angedeuteten Polarität ergibt,
die ein Drehmoment auf den Läufer 8 ausübt, das ihn zum Rechtslauf veranlaßt, wie
es am Läufer 8 durch einen nicht näher bezeichneten Pfeil angedeutet ist. Mit der
Drehung des Läufers werden die einzelnen Wicklungen 14 bis 17 durch jeweils einen
der Hallgeneratoren 5 und 6 so gesteuert, daß sich eine Drehdurchflutung ergibt.
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Zur Zusammenfassung mehrerer Transistoren in einem gemeinsamen integrierten
Bauteil war nun zunächst die bekannte Schaltung zu invertieren, damit als Transisotoren
der Vorstufen 32 bzw. 38 npn-Transistoren verwendet werden können, die in integrierter
Technik als Transistor-Array hergestellt werden. Damit lassen sich dann die Vorstufen-Transistoren
27 bis 30 und der zugeordnete Steuertransistor 31 für die eine Drehrichtung zu einem
integrierten Transistorbaustein 32 zusammenfassen. In gleicher Weise werden die
Vorstufen-Transistoren 33 bis 36 und der zugeordnete Steuertransistor 37 für die
andere Drehrichtung zu einem integrierten Baustein 38 zusammengefaßt, wie es in
Figur 2 dargestellt ist. Die gemeinsamen Kollektorwiderstände 62 bis 65 der Vorstufen-Transistoren
27 bis 30 sowie 33 bis 36 lassen sich mit den Tachometerwiderständen 66 und 67 ebenfalls
zu einem integrierten Baustein 70 zusammenfassen. Die Kollektorwiderstände 62 bis
65 haben jeweils einen Widerstand von beispielsweise 470 Ohm. Die Tachometerwiderstände
66 und 67 haben jeweils einen Widerstand von beispielsweise 940 Ohm, die in dem
integrierten Baustein 70 jeweils durch Reihenschaltung zweier Widerstände von
470
Ohm gebildet werden. In gleicher Weise werden die Widerstände 52 bis 56 der Eingangs
schaltung der Elektronik zu einem integrierten Baustein 50 zusammengefaßt. Der Widerstandswert
der Widerstände 54 bis 56 beträgt jeweils 1 Kiloohm. Den Widerstandswert der Widerstände
52 und 53 von jeweils 2 Kiloohm erhält man durch Reihenschaltung zweier Widerstände
von jeweils 1 Kiloohm in dem integrierten Baustein 50 mit 8 Widerständen von jeweils
1 Kiloohm.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform können auch die Tachodioden
72 sowie weitere Dioden der Elektronik 20 zu einem integrierten Baustein zusammengefaßt
werden.
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Nach Figur 3 sind die Bauteile der Elektronik 20 auf einer Leiterplatte
90 angeordnet, die mit einer Bohrung 92 sowie in der Figur nicht dargestellten Durchbrechungen
für die Motoranschlüsse und mit Lötverbindungen P, N, S1, Sz, E und M versehen ist.
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Die Leiterplatte 90 wird am Lagerschild befestigt und enthält die
einzelnen Bauteile mit den in der Figur nicht dargestellten Verbindungsleitern.
In der Figur sind geeignete Positionen für die integrierten Bauteile, nämlich die
Transistor-Bausteine 32 und 38, und di e die Widerstandsanordnungen 50 und 70 sowie
die Transistoren 41 bis 44 der Leistungsstufen und die neben diesen Transistoren
angeordneten und nicht näher bezeichneten Rückkopplungskondensatoren angegeben.
Auf dem unteren Teil der Leiterplatte 90 sind die Potentiometer P1 und P2 sowie
die Begrenzungswiderstände 25 und 26 für die Hallgeneratoren 5 und 6 neben den Transistoren
46 bis 48 des Steuereingangs E sowie die Glättungskondensatoren 76 und 77 angeordnet.
Außerdem sind auf der Platte die Schaltwiderstände 82 und 83, die Zenerdiode 24,
der Begrenzungswiderstand 78 sowie die Tachodioden 72 und weitere, nicht näher bezeichnete
Bauteile angeordnet.
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Im Ausführungsbeispiel nach Figur 1 sind als strombegrenzende Bauelemente
für die Schalteingänge 51 und S2 Widerstände 82 und 83 vorgesehen. Es können aber
auch Zenerdioden verwendet werden, die den Schaltstrom auf den Mindestwert begrenzen.
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2 Patent ansprüche 3 Figuren