DE2809314A1

DE2809314A1 - Buerstenloser mehrphasen-gleichstrommotor mit zwei hall-effekt-generatoren

Info

Publication number: DE2809314A1
Application number: DE19782809314
Authority: DE
Inventors: Kinzo Wada
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 1977-03-03
Filing date: 1978-03-03
Publication date: 1978-09-07
Also published as: US4164691A

Description

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Die Erfindung betrifft einen bürstenlosen Mehrphasen-Gleiciistrommotor mit Verwendung von zwei Hali-Effekt-Generatoren.

Bei einem bekannten bürstenlosen Vierphasen-Gleichstrommotor werden zwei Hall-Effekt-Generatoren verwendet, die elektrisch gegeneinander um 90 versetzt angeordnet sind; die vier Ständerwicklungen werden mit Strömen gespeist, die von einem entsprechenden Transistor von vier Leistungstransistoren bereitgestellt werden; jeder Leistungstransistor wird in Abhängigkeit vom Schaltvorgang eines entsprechenden Transistors einer ¥ielzahi von Schalttransistoren gesteuert. Die Schalttranslstoreii sind mit ihren Emitterelektroden zusammengeschaltet und bilden somit einen einzigen Differentialverstärker, während ihre Basiselektroden an die Spannungseiektroden der Hall—Effekt-Generatoren so angeschlossen sind, daß die Schaitzeit jedes Schalttransistors durch die relative Hall-Spannung der Hall-Effekt-Generatoren bestimmt ist. Jedoch enthält die Hall-Spannung, die in Abhängigkeit von der änderung magnetischer Felder erzeugt wird, Gleichspannungs— Amplitudenkomponenten, die aufgrund der nicht gleichförmigen Betriebseigenschaften der Hall-Effekt-Generatoren zwischen diesen Generatoren differieren. Weiterhin zeigen dieGleichspannungskoinponenten die Tendenz, sich als Funktion der Zeit und anderer beeinflussender Faktoren zu ändern, so daß im Ergebnis eine Variation der relativen Amplituden des Potentials an den Basiselektroden der Schalttransistoren vorliegt. Daraus ergibt sich, daß die Schaltzeit und deshalb das interne Schalten jeder Wicklung als Funktion der Gleichstrom-Komponente und damit als Funktion der Wirkungsweise der Hall-Effekt-Generatoren variieren können. Dieses Problem erweist sich dann als schwerwiegend, wenn die Wellenkurve der Hall-Spannungen eher impulsartige Gestalt besitzt als sinusförmig verläuft.

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Aufgabe der Erfindung ist es, die dem gegenwärtigen Stande der Technik entnehmbaren Nachteile auszuschalten.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden die Schalttransistoren paarweise so verbunden, daß erste und zweite separate Differentialverstärker gebildet werden. Die Schalttransistoren jeder Differentialverstärkeranordnung werden individuell ausschließlich in Abhängigkeit von derjenigen Hall-Spannung auf Durchlaß geschaltet, die eher relativ zur Gleichspannungskomponente als zu derjenigen Spannung auftritt, die in den Schalttransistoren der anderen Differentialverstärkeranordnung aufgebaut ist.

Der zum ersten Differentialverstärker zugeführte Strom wird durch einen ersten Stromsteuertransistor in Abhängigkeit von einem Steuersignal gesteuert, um so die Ströme zu variieren, die der ersten und dritten Wicklung eingespeist werden; der dem zweiten Differentialverstärker zugeführte Strom wird durch einen zweiten Stromsteuertransistor in Abhängigkeit vom Steuersignal gesteuert, womit die Ströme, die der zweiten und vierten Wicklung eingespeist werden, variiert werden können.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt

Figur 1 eine schematische Darstellung eines bürstenlosen Vierphasen-Gleichstrommotors; die Darstellung läßt sich zur Beschreibung der Betriebsweise in bezug auf den Stand der Technik und auf den Erfindungsgegenstand verwenden;

Figur 2 einen Schaltplan einer dem Stande der Technik entsprechenden Motorsteuerschaltung;

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Figur 3 einen Schaltplan der erfindungsgemäßen Steuerbzw. Regelschaltung;

Figur 4- eine abgeänderte Ausführungsform der Schaltung nach Fig. 3; und

Figuren eine Wiedergabe der Wellenformen, die in der 5A bis 51 Schaltung der Fig. 2 bis 4- auftreten.

Der Erfindungsgegenstand befaßt sich mit einer Schaltung zum Betrieb eines bürstenlosen Gleichstrommotors mit einem Aufbau, wie er in Fig. 1 zu sehen ist. Der hier dargestellte Motor umfaßt einen Permanentmagnet-Läufer 1, vier Ständerwicklungen W1 bis W4-, die voneinander um Winkel von 90 elektrisch versetzt und mit Abstand angeordnet sind, und Hall-Effekt-Generatoren 2 und 3» die am Ständer 1 in Nachbarschaft zu den Wicklungen W1 bzw. W2 befestigt sind. Der Läufer 1 dreht sich in der Zeichnung, wie es mit dem Pfeil wiedergegeben ist, in Gegenuhrzeigerrichtung; der Verschiebungswinkel θ wird von einem Referenzpunkt aus gemessen, welcher derjenigen Linie entspricht, die die Wicklungen W'I und W3 miteinander verbindet. Bevor auf Einzelheiten des Erfindungsgegenstandes eingegangen wird, soll zuerst auf Fig. 2 Bezug genommen werden, in der die dem Stande der Technik entsprechende Betriebsschaltung dargestellt ist. In Fig. 2 sind die Stromversorgungs— elektroden 2¹ und 3' von Hall-Effekt-Generatoren 2 und 3 durch eine Verbindung 4- miteinander verbunden und von dort aus über einen Widerstand R6 an einen Anschluß 5 positiver Polarität angeschlossen, wobei ihre gegenüberliegenden Stromversorgungselektroden an den Anschluß 6 negativer Polarität über einen Widerstand R8 bzw. über einen variablen Widerstand VR angeschlossen sind. Mit ihren Basiselektroden sind pnp-Transistoren X1 und X2 an die linken Hall-Spannungs— Elektroden der Hall-Effekt-Generatoren 2 und 3 angeschlossen, während ihre Emitter zusammen am Kollektor eines Transistors

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X 5 liegen und ihre Kollektoren an den negativen Anschluß über Widerstände R1 bzw. K2 angeschlossen sind. Gleichermaßen sind die Basiselektroden von pnp-Transistoren X3 und X*l· an die rechten Hall-SpaTHTWTags—Elektroden der Hall— Effekt-Generatoren 2 und 3 angeschlossen, während ihre Emüter zusammen am Kollektor eines Transistors X5 liegen und ihre Kollektoren mit dem negativen Anschluß 6 über Widerstände R3 bzw. R4 verbunden sind. Es werden npn-Leistungstransistoren X6, X?, X8 und X9 bereitgestellt, um die Wicklungen ¥i bis W²J- entsprechend durch Ströme bis 14 in Abhängigkeit vom Potential an den Kollektoren entsprechender Transistoren X1 bis X4 zu erregen. Die Emitter der Leistungstransistoren X6 bis X9 sind insgesamt durch eine Verbindung 7 miteinander verbunden und von da aus an den negativen Anschluß 6 über einen Widerstand E7 angeschlossen. Die Basiselektrode des Transistors X5 ist an eir.en Stromsteueranschluß 8 angeschlossen, während sein Emitter über den Widerstand R5 ad* dem positiven Anschluß 5 verbunden ist. Die Spannung am Anschluß 8 wird mit einem Steuersignal zugeführt, das den durch den Transistor X5 fließenden Strom variiert, was seinerseits die zu den Tran-

-^ _. , . gef ührfcen Stiiäae,... „. » sistoren Xi bxs "X^Zund deshalb diejenigen Strome variiert, die den ¥icklungen W1 bis W4 zugeführt werden.

Mit der in 3Pig. 1 gezeigten Anordnung werden an den Spannungselektroden jedes Hall-Effekt-Generators Hall-Spannungen e^, ep, G-z und e^ erzeugt, wie es in Fig. 5A dargestellt ist, wobei die Spannungen e,, und e^voneinander um 180° versetzt sind, während die Spannungen βρ und e^ gleichermaßen voneinander versetzt verlaufen. Die Spannung e^j zeigt dann eine negative Maximalamplitude, wenn der Ständerwinkel gegenüber dem Referenzpunkt WuIl Grad betragt, während die Spannung e^ ihren negativen Maximalwert an einer um 90° vom Referenzpunkt versetzten Stelle besitzt. Bei den Schaltungen, wie sie in dem, dem Stande der Technü entsprechenden, in Fig. 2 wiedergegebenen Schaltungsaufbau

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angeordnet sind, bilden die Transistoren X1 bis X4- einen einzigen Differentialverstarker. Bei Betrieb löst jeder dieser Transistoren einen Durchlaß aus, wenn die Basiselektrode von irgendeinem dieser Transistoren in bezug auf die Emitterpotentiale der anderen Schalttransistoren bei dem am stärksten negativen Potential vorgespannt ist.

Jedoch können aufgrund der ungleichförmigen Betriebseigenschaften von Hall-Effekt-Generatoren die Hall-Effekt-Generatoren 2 und 3 unterschiedliche Gleichspannungskomponenten Υ* bzw. Vp haben, wobei, wie es in Fig. 5A zu sehen ist, eine Spannungsdifferenz ^V dazwischen auftritt. Unter diesen Umständen schwanken die alternierenden Spannungen e^j und e,- um V^,, wogegen die Spannungen e₂ und e^ um V₂ schwanken, woraus sich ergibt, daß während eines Zeitintervalls von t_Q bis ty, die Spannung e^, am negativsten ist und bewirkt, daß der Transistor X1 eingeschaltet ist, und daß während des Intervalls t,, bis t₂ die Spannung e₂ am negativsten ist, was zur Folge hat, daß der Transistor X2 leitfähig ist. Somit werden die Wicklungen W1 und W2 für unterschiedliche Zeitintervalle geschaltet.

Eine ähnliche Situation tritt bei den Wicklungen W3 und W4 auf (siehe Fig. 5B bis 5E), so daß die vom Motor lieferbare Drehmomenthöhe als Funktion der Zeit variiert. Obwohl eine derartige Ungleichförmigkeit von Schaltintervallen durch Einstellung des variablen Widerstandes VR bis zu einem gewissen Grade verringert werden kann, besteht eine Schwierigkeit darin, die Gleichförmigkeit zu allen Zeitpunkten aufrechtzuerhalten, ohne auf Temperaturänderungen Rücksicht nehmen zu müssen. Weiterhin läßt sich erkennen, daß die dem Stande der Technik entsprechende Betriebsschaltung mit einem Drehmomentverlust beim Zeitpunkt des ümschaltens von einer Wicklung zur anderen verbunden ist, da nur einer der Schalttransistoren X1 bis X4 zu einem gegebenen Zeitaugenblick in Durchlaß geschaltet werden kann.

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In Fig. 3 ist eine erfindungsgemäße Motorbetriebsschaltung wiedergegeben; dabei sind Bauelemente, die den in den vorhergehenden Figuren gezeigten Bauelementen gleichartig sind, mit gleichen Bezugszeichen versehen. In Fig. 3 sind die Emitter der Transistoren X1 und X3 bei der Verbindungsstelle 13 zusammengeschaltet und bilden damit einen ersten Differentialverstärker, während die Emitter der Transistoren X2 und X4 an einer Verbindungsstelle 14 zur Ausbildung eines zweiten Differentialverstarkers zusammengeschaltet sind. Die Verbindungsstelle 13 cL_es ersten Differentialverstarkers ist an den Kollektor eines ersten Stromsteuertransistors X1O angeschlossen, während die Verbindungsstelle 14 des zweiten Differentialverstarkers mit dem Kollektor eines zweiten Stromsteuertransistors X11 verbunden ist. Die Basiselektroden der Stromsteuertransistoren X1O und X11 liegen gemeinsam am Steueranschluß 8. Die Emitter von Leistungstransistoren X6 und X8 liegen gemeinsam an einer Verbindungsstelle 9 und sind von da aus über einen Widerstand R9 mit dem negativen Anschluß 6 verbunden, während die Emitter der Leistungstransistoren X7 und X9 gleichermaßen mit einer Verbindungsstelle 10 verbunden sind und von da aus über einen Widerstand R10 an den negativen Anschluß 6 angeschlossen sind. Die Stromzuführungselektroden beider Hall-Effekt-Generatoren sind an Verbindungsstellen 11 und 12 parallel angeschlossen, wobei letztere Verbindungsstelle über einen Widerstand R11 am negativen Anschluß 6 liegt und wobei auf den früher verwendeten variablen Widerstand VR verzichtet wurde. Bei dieser Schaltungsanordnung werden die Transistoren X1 und X3 ausschließlich in Abhängigkeit von den an ihren Basiselektroden angelegten Hall-Spannungen in bezug auf das Potential an der Verbindungsstelle 13 leitfähig gemacht, während die Transistoren X2 und X4 ausschließlich in Abhängigkeit von den an ihren Basiselektroden angelegten Hall-Spannungen in bezug auf das Potential an der Verbindungsstelle 14 leitfähig gemacht werden. Deshalb wird der Transistor X1 zu dem Augenblick ange-

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schaltet, wenn die Spannung e^ unter die Gleichspannungskomponente V1 abfällt, die sich an der Verbindungsstelle aufbaut, und in dem Moment abgeschaltet, wenn sie über 71 ansteigt; somit beginnt der Strom 11 zu einem 90° vor dem O°-Augenblick gelegenen Zeitpunkt zu fließen und endet zu einem Zeitpunkt, der 90° nach dem O°-Augenblick auftritt. Daraus ergibt sich, daß die Dauer des Stroms 11 ausschließlich durch die Relativspannung von e^ zu der Gleichspannung V1 bestimmt ist, wie es in Fig. 5^ erläutert wird. Gleichermaßen wird der Transistor X2 in dem Augenblick leitfähig gemacht, bei dem die Spannung e~ unter das Gleichstrompotential V2 abfällt (das am Nullgradpunkt auftritt), und wird in dem Augenblick abgeschaltet, wenn sie über diese Schwelle ansteigt (die beim 180°-Punkt auftritt); dies führt zu einem Strom 12, der bestehen bleibt, während der Läufer 1 sich
von 0° bis 180° dreht, wie es in -^ig. 5G zu sehen ist.
Weiterhin läßt sich erkennen, daß die Ströme 11 und 12
in einem Zeitintervall von 0° bis 90° überlappen, während gleichermaßen die Ströme 12 und 13 im Zeitintervall von
90° bis 180° überlappen. Da die Spannungen e^ und e^ in
bezug auf die Gleichstromkomponente V1 identische Wellenform entgegengesetzter Polaritäten besitzen, werden die Ströme 11 und 13 und damit die Ständerwicklungen W1 und W3
gleich lang geschaltet. Aus derselben Überlegung ergibt sich, daß die Ströme 12 und 14 und damit die Ständerwicklungen W2 und W4- gleich lang geschaltet werden.

Obwohl die Amplitude der alternierenden Spannungen e^ bis e^, aufgrund der unterschiedlichen Betriebseigenschaften
der individuellen Hall-Effekt-Generaroren/ist der Durchgangspunkt jeder Wechselspannungs-Wellenform auf dem entsprechenden Gleichspannungspegel unveränderlich, so daß die Wicklungen W1 bis W4· exakt gleich lang erregt sind, was sich klar aus den Fig. 5F bis 51 ergibt. Es sei bemerkt, daß im Zusammenhang mit dem Erfindungsgegenstand irgendeine vorhandene

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Schwankung der Spannungsdifferenz AV nicht zu einer Änderung, der Stromdurchlaßperioden führt, was demgegenüber in der dem gegenwärtigen Stande der Technik entsprechenden Schaltung auftreten würde.

Fig. 4 stellt eine Abänderung der zuvor beschriebenen Ausführungsform dar, die von dieser sich insofern unterscheidet, als die Stromzuführungselektroden der Hall-Effekt-Generatoren 2 und 3 in einer Reihenschaltung liegen, so daß beide Hall-Effekt-Generatoren über Widerstände R15 und R14- mit dem gleichen Strom gespeist werden, anstatt sie parallel zu schalten, wie es in der zuvor beschriebenen Ausführungsform der Fall war. Die Anordnung in Reihenschaltung verringert die Stromhöhe, die zur Erzeugung von Hall-Spannungen erforderlich ist, auf die Hälfte derjenigen Stromhöhe, die in der zuvor beschriebenen Ausführungsform benötigt wurde.

Falls der erfindungsgemäße Gleichstrommotor in einem Plattenspieler verwendet wird, würde ungefähr 50 % der Gesamtstromentnahme nutzlos verloren gehen. Deshalb ist die Reduzierung der Hall-Generatorenströme bei derartigen Anwendungsgebieten in bezug auf den Leistungsverbrauch besonders wichtig.

Somit wird erfindungsgemäß ein bürstenloser Mehrphasen-Gleichstrommotor geschaffen, der einen Permanentmagnet-Läufer, eine Vielzahl von Ständerwicklungen und ein Paar Hall-Effekt-Generatoren besitzt, die als elektromagnetische Sensoren wirken; die Ständerwicklungen werden sukzessive durch Ströme erregt, die von einem entsprechenden Transistor einer Vielzahl von Leistungstransistoren zugeführt werden; die Leistungstransistoren sprechen auf den Durchlaß eines entsprechenden Transistors einer Vielzahl von Schalttransistoren an. Die Schalttransistoren sind paarweise geschaltet und bilden somit einen ersten und einen zweiten Differentialverstärker.

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Letzterer spricht auf das Potential an der Hall-Spannungselektrode des entsprechenden Hall-Effekt-Generators relativ zu einem Potential an der Verbindungsstelle der Differentialverstärkeranordnung an.

Claims

PATENTANWÄLTE

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MANITZ. FINSTERWALD & GRÄMKOW

Victor Company of Japan, Limited München, den 3.3.78 3-12, Moriya-cho, Kanagawa-ku, P/4/Ru-V 2045

Yokohama City, Japan

Bürstenloser Mehrphasen-Gleichstrommotor mit zwei Hall-Effekt-Generatoren

Patentansprüche :

/ 1. jBürstenloser Mehrphasen-Gleichstrommotor mit einem Per-V_ymanentmagnet-Läuf er, mit ersten, zweiten, dritten und vierten, gegeneinander elektrisch versetzt angeordneten Ständerwicklungen, mit ersten und zweiten Hall-Effekt-Generatoren, welche den Ständerwicklungen zugeordnet sind und ein Paar erster und zweiter Hall-Spannungselektroden besitzen und ein Paar von Stromzuführungselektroden aufweisen, durch die Strom zugeführt wird, um in Abhängigkeit von Änderungen in der magnetischen Feldstärke aufgrund der Umdrehnung des Läufers eine Hall-Spannung an den Hallelektroden zu erzeugen, mit ersten, zweiten, dritten und vierten Schalttransistoren, deren Basiselektroden an die entsprechenden Hall-Spannungselektroden der Hall-Effekt-Generatoren angeschlossen sind, so daß die Schalttransistoren auf die Potentialdifferenz zwischen den entsprechenden Basis-

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DR. CMANITZ · DIPL.-1NG. M. FINSTERWALD DIPL.-ING. W. C R A M K O W ZENTRALKASSE BAYER. VOLKSBANKEN

MÖNCHEN 22. ROBERT-KOCH-STRASSE I 7 STUTTGART 5O. (BAD CANNSTATT) MÖNCHEN. KONTO-NUMM.ER 7270

TEL. (089) 22 42 Il · TELEX 5-29672 PATMF SEELBERGSTR. 23/2S. TEL.(07ll) S672 61 POSTSCHECK! MÜNCHEN 77Ο6 2 - 80S

ORIGINAL INSPECTED

und Emitterelektroden ansprechen, mit ersten, zweiten, dritten und vierten Leistungstransistoren, deren Leitfähigkeitstyp gegenüber den Schalttransxstoren entgegengesetzt ist und die zur sukzessiven Erregung der entsprechenden ersten, zweiten, dritten und vierten Wicklungen in Abhängigkeit vom Durchlaß der ersten, zweiten, dritten und vierten Schalttransistoren angeordnet sind, und mit einer Vorrichtung zur Zuführung von Strom zu den ersten, zweiten, dritten und vierten Schalttransxstoren in Abhängigkeit von einem Steuersignal zur Steuerung der den Wicklungen eingespeisten Ströme, dadurch gekennzeichnet , daß zur Ausbildung eines ersten Differentialverstärkers die Emitter der ersten und dritten Schalttransxstoren zusammengeschaltet sind, während zur Bildung eines zweiten Differentialverstärkers die Emitter der zweiten und vierten Schalttransxstoren miteinander verbunden sind, daß die Stromzuführungs-Steuervorrichtung einen ersten und einen zweiten Stromsteuertransistor des gleichen Leitfähigkeitstyps wie die Schalttransxstoren umfaßt, daß der erste Stromsteuertransistor in Reihe mit dem ersten und dem dritten Schalttransistor liegt, während der zweite Stromsteuertransistor in Reihe mit dem zweiten und vierten Schalttransistor geschaltet ist, und daß die Basiselektroden der Stromsteuertransistoren so angeschlossen sind, daß sie zur entsprechenden Regulierung der Ströme, welche den Differentialverstärkern zugeführt werden, auf das Steuersignal ansprechen, wodurch jeder der Schalttransxstoren relativ zur Gleichspannungskomponente jedes Hall-Effekt-Generators auf die an der zugeordneten Hall-Spannungselektrode aufgebaute Hall-Wechselspannung anzusprechen vermag·
2. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Stromzuführungselektroden der ersten und zweiten Hall-Effekt-Generatoren parallel geschaltet sind.

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5· Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch g e k e η n-. zeichnet , daß die Emitter der ersten und dritten Leistungstransistoren zusammengeschaltet sind, und daß die Emitter der zweiten und vierten -keistungstransistoren miteinander verbunden sind.

4-, Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Stromzuführungselektroden der ersten und zweiten Hall-Effekt-Generatoren in Reihe geschaltet sind.

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