DE2820119A1

DE2820119A1 - Gleichstrommotor fuer verschiedene drehzahlen

Info

Publication number: DE2820119A1
Application number: DE19782820119
Authority: DE
Inventors: Johann Roth
Original assignee: Braun GmbH
Current assignee: Roth Johann Dipl-Ing (fh) 8061 Schwabhausen
Priority date: 1978-05-09
Filing date: 1978-05-09
Publication date: 1979-11-22
Also published as: DE2820119C2; FR2425761A1

Description

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Die Erfindung betrifft einen Gleichstrommotor"^^' ' ' ** nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Von den verschiedenen bekannten Elektromotoren eignen sich für den Betrieb bei verschiedenen Drehzahlen insbesondere die Drehstrominduktions- und die Gleichstrommotoren. Bei den Drehstrominduktionsmotoren erfolgt die Drehzahl einstel1ung über die Änderung der Primärfrequenz, über die Änderung der Polzahl oder über die Änderung der Schlüpfung. Diese Drehzahleinstellungsmethoden sind jedoch sehr aufv/endig und insbesondere dann kaum zu gebrauchen, wenn keine Wechselspannung zur Verfugung steht, wie dies bei den batteriebetriebenen Gerätender Fall ist. Bei den letztgenannten Geräten, z.B.

bei Laufbi1dkameras, werden deshalb fast ausschließlich regelbare Gleichstrommotoren für den Betrieb bei verschiedenen Drehzahlen verwendet. Die Drehzahleinstellung von Gleichstrommotoren kann auf verschiedene Weise vorgenommen werden, je nachdem, um welchen Gleichstromantrieb es sich handelt. Bei den fremderregten Gleichstrommotoren und bei den Nebenschlußmotoren kann durch Ändern der Klemmenspannung oder Einschalten eines Vorwiderstands in den Erreger- bzw. Ankerkreis die Drehzahl geregelt werden. Die Reihen-' schlußmotoren werden dagegen mit Hilfe von Vorschaltwiderständen oder durch Einschalten von Nebenschlußwiderständen drehzahlmäßig geregelt. Bei den Doppelschlußmotoren erfolgt die Drehzahl einstel1ung wie bei den Motoren mit Fremd- oder Nebenschluß.

Besonders hohe Anforderungen werden an solche Gleichstrom-Kleinmotoren gestellt, die für den Antrieb von Laufbildkameras mit verschiedenen Laufgeschwindigkeiten vorgesehen sind. Derartige Kleinmotoren müssen z.B. für 18, 24 und 54 Bilder pro Sekunde ausgelegt sein,

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wobei 18 Bilder pro Sekunde den Normalgang und 54 Bilder pro Sekunde den Zeitlupengang darstellen. Da für die Speisung dieser Motoren in der Regel nur eine Batteriespannung zur Verfügung steht, die ihrerseits innerhalb gewisser Grenzen schwanken kann, müssen die Ankerwicklungen so ausgelegt sein, daß bei der unteren Grenzspannung und beim höchsten Drehmoment die höchste Drehzahl erreicht werden kann. Man wird also die Ankerwicklungen der Gleichstrom-Motoren für Laufbi1dkameras so auslegen, daß sie auch noch bei hohen Drehzahlen, d.h. im Zeitlupengang, ein maximales Drehmoment bringen. Dies bedeutet, daß die Ankerwicklung bei hohen Drehzahlen einen niedrigen Widerstandswert aufweisen muß, um die die in der Ankerwicklung auftretenden Wärmeverluste niedrig und damit die verfügbare Leistung groß zu halten. Ein niedriger Widerstandswert der Ankerwicklung bedingt einen relativ großen Strom, der für eine große Leistung bzw. ein großes Drehmoment ebenfalls benötigt wird. Eine für eine hohe Drehzahl ausgelegte Ankerwicklung weist indessen den Nachteil auf, daß sich bei einer niedrigen Drehzahl ein hoher Schaltstrom einstellt, weil die Gegen-EMK des Ankers bei dieser Drehzahl entsprechend gering ist. Es wird also bei niedrigen Drehzahlen ein Strom fließen, der größer ist als an sich erforderlich; d.h. die Batterie wird bei diesen Drehzahlen relativ stark beansprucht. Dieser Umstand wirkt sich bei Laufbildkameras insofern besonders störend aus, als der Zeitlupengang im Vergleich zum Normalgang höchst selten benutzt wird. Der unnötig hohe Energieverbrauch tritt also gerade bei dem sehr häufig benutzten Normalgang auf.

Sofern die Drehzahlen der Gleichstrom-Kleinmotoren mit Hilfe von Fliehkraftschaltern konstant gehalten

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werden sollen, ergibt sich auch noch ein weiterer Nachteil, der darin besteht, daß die Fliehkraftschalter im Normalgang besonders hoch belastet werden. Um diese Belastung zu verringern, ist deshalb eine besondere Anordnung vorgeschlagen worden, bei der die Lamellen eines Kollektors über Fliehkraftschalter miteinander verbindbar sind ( DE-PS 1 638 172 ). Aber auch bei dieser Anordnung wird bei niedrigen Drehzahlen zuviel elektrische Energie verbraucht.

Bei einer anderen Schaltungsanordnung mit Fliehkraftschaltern für die Regelung der Geschwindigkeit eines mit mehreren Kommutatorsegmenten ver-sehenen Gleich- oder Wechselstrommotors werden während der Regelung die Motor-Wicklungen teilweise unwirksam gemacht ( US-PS 2 738 391 ). Erreicht hierbei die Motorgeschwindigkeit einen Wert, der einen oder mehrere Fliehkraftschalter aktiviert, so wird die Verbindung zwischen den Wicklungen und den Kommutatorsegmenten unterbrochen. Dabei wird die Hälfte der gesamten Wicklung inaktiv geschaltet. Aufgrund der teilweise unwirksamen Wicklung sinkt die Motorgeschwindigkeit wieder, bis der Fliehkraftschalter die abgeschalteten Wicklungsteile wieder anschaltet. In dieser Schaltungsanordnung sind also bei niedriger Drehzahl viele und bei hoher Drehzahl wenige Wicklungen zugeschaltet. Da die Wicklungen in Serie geschaltet sind, bedeutet dies, daß das Drehmoment des Motors bei hohen Drehzahlen absinkt. Dieser Effekt ist jedoch be4 dem Zeitlupengang einer Laufbildkamera gerade nicht erwünscht. Dort soll der Motor vielmehr bei hohen Drehzahlen eine hohe Leistung und damit ein hohes Drehmoment abgeben können.

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Bei einer weiteren bekannten Motorregelanordnung mit Fliehkraftschaltern können bei geschlossenen Schaltern zwei Drittel der Wicklungen für zwei Drittel der Zeit aktiv geschaltet werden ( US-PS 2 819 441 ). Ist hierbei der Schalter bei höheren Umdrehungsgeschwindigkeiten offen, so sind zwei Drittel dieser Wicklungen nur während eines Drittels der Zeit aktiv. Es wird also auch bei dieser Anordnung das Drehmoment erniedrigt, wenn sich die Drehzahl erhöht.

Weiterhin ist ein Gleichstrommotor vorgeschlagen worden, der einen gewickelten Anker mit einem ebenen Kommutator auf einer Isolationsscheibe aufweist, wobei die Scheibe auf der Ankerwelle sitzt und wobei mehrere Fliehkraftregler vorgesehen sind, die in der Ankerwicklung liegen ( GB-PS 1 087 612 ) Die einzelnen Fliehkraftschalter - es sind in der Regel zwei vorgesehen - sprechen dabei auf verschiedene, jedoch nahe beieinander liegende Ankergeschwindigkeiten an. Ein Betrieb des Gleichstrommotors bei grundsätzlich verschiedenen Drehzahlen ist mit dieser Anordnung indessen nicht möglich.

Schließlich ist auch noch ein elektrischer Motor für den Antrieb von Plattenspielern mit mehreren Geschwindigkeiten vorgeschlagen worden, der einen umwickelten Anker und einen Kommutator aufweist ( US-PS 2 814 770 ). Dieser Motor enthält einen ersten Fliehkraftschalter, der bei niedriger Geschwindigkeit arbeitet, sowie einen zweiten Fliehkraftschalter, der erst bei hoher Geschwindigkeit aktiviert wird. Mit diesen ersten und zweiten Fliehkraftschal tern ist jeweils mindestens eine Ankerwicklung verbunden. Die höhere bzw. niedrigere Motorgeschv/indigkeit wird durch Anlegen einer höhe-

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ren bzw. niedrigeren Spannung gewonnen, wobei die beiden Spannungen von einer Batterie mittels eines Spannungsteilers abgeleitet sein können. Wird der Fliehkraftschalter für die niedrige Drehzahl auf Grund der ihm zugeordneten Drehzahl aktiviert, so schaltet er eine Wicklung von der Versorgungsspannung ab. Das Drehmoment des Motors wird also erniedrigt. Bei höherer Drehzahl, die durch Anlegen einer höheren Spannung erzeugt wird, werden beide Fliehkraftschalter geöffnet, wodurch insgesamt drei Motorwicklungen abgeschaltet werden. Das Drehmoment des-Motors fällt bei überschreiten einer oberen Grenzdrehzahl rapide ab. Damit ist auch dieser Motor nicht geeignet, bei hohen Drehzahlen ein hohes Drehmoment abzugeben.

Mit den meisten der vorstehend beschriebenen und bekannten Motorregel schaltungen ist es möglich, durch Ab- und Wiederanschalten von Motorwicklungen die Motorgeschwindigkeit bei einer bestimmten Drehzahl zu regeln. Die erst- und die letztgenannte Schaltung ermöglicht darüber hinaus auch noch die Regelung von mehreren Motordrehzahlen, wobei die letztgenannte Schaltung von der Technik des Zu- und Abschaltens von Motorwicklungsteilen Gebrauch macht. Allen Regel schaltungen ist indessen gemein, daß sie bei hohen Drehzahlen das Drehmoment absenken.

Bei modernen Motorregel schaltungen wird von den bekannten Fliehkraftreglern kaum noch Gebrauch gemacht. Vielmehr erfolgt die Konstanthaltung einer gerade eingestellten Drehzahl über elektronische Bauelemente ( DE-PS 21 66 360; DE-OS 26 20 447, Fig.5 ), die in integrierter Technik ausgeführt sein können.

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Diese elektronischen Motordrehzahl-Regel einrichtungen weisen im allgemeinen einen mit dem zu regelnden Motor verbundenen Tachogenerator auf, der die Ist-Drehzahl des Motors in eine analoge Spannungsamplitude oder in eine korrespondierende Frequenz umwandelt. In der elektronischen Drehzahl-Regeleinrichtung wird die analoge Spannungsamplitude bzw. die korrespondierende Frequenz sodann ausgewertet. Die Auswertung kann dabei in der Weise erfolgen, daß die analoge Spannungsamplitude bzw. die entsprechende Frequenz mit einem internen Sollwert verglichen werden. Die Regelabweichung wird sodann verstärkt und bestimmt das Tastverhältnis, mit dem der Gleichstrommotor beaufschlagt wird. -

Die vorliegende Erfindung geht von einer bekannten Regeleinrichtung für Gleichstrommotoren aus, bei welcher die Konstanthaltung einer bestimmten Drehzahl mittels Fliehkraftreglern, elektronischen Schaltungen oder äquivalenten Mitteln vorgenommen wi rd.

Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen, welche es ermöglicht, die bei den _t verschiedenen Drehzahlen erforderlichen Drehmomente aufzubringen und dabei den Stromverbrauch sehr niedrig zu halten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. 35

Mit der erfindunqsqemäßen Anordnung ist es insbe-

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sondere möglich, bei Laufbi1dkameras im Zeitlupengang von 54 Bildern pro Sekunde mit sehr kleinen Motoren auch dann noch auszukommen, wenn eine Super-8-Sound-Kassette verwendet wird. Der bisherige Nachteil j daß der Motor im Normalgang von 18 Bildern pro Sekunde sehr viel Strom verbraucht, entfällt bei der Erfindung.

Ausf iihrungsbeispiel e der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

das Ersatzschaltbild eines Gleichstrommotors; ■ die Prinzipschaltung einer elektronischen Anordnung zum Konstanthalten der Drehzahl

eines Gleichstrommotors;

den Verlauf .verschiedener Ströme bei einer elektronischen Anordnung gemäß Fig.2; eine Querschnittansicht eines Gleichstrommotors mit einer Wicklungsschicht für

niedrige und einer Wicklungsschicht für hohe Drehzahlen;

Fig.5 eine Prinzipdarstellung eines Gleichstrommotors, bei dem jeweils eine Wicklung unter Abschaltung von jeweils einer anderen Wick

lung eingeschaltet wird;

Fig.6 eine Darstellung entsprechend Fig.5, wobei jeweils eine Wicklung parallel zu einer anderen Wicklung geschaltet wird; Fig.7 einen Gleichstrommotor, dessen Ankerwicklungen

durch Fliehkraftschalter umschaltbar sind und dessen jeweilige Drehzahl durch eine elektronische Anordnung konstant gehalten wird; . Fig.8 einen Gleichstrommotor, dessen Ankerwicklungen mit Hilfe einer elektronischen Anordnung um

schaltbar sind.

Fig.6a eine Serien/Parallel und Paral1 el/Serien-Umschaltung -12-

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Fi	g.i
Fi	g-2
Fi	g.3
Fi	g.4

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In der Fig.1 ist das Ersatzschaltbild eines Gleichstrommotors dargestellt, anhand dessen die an sich bekannten Beziehungen zwischen den elektrischen und mechanischen Größen, die für die vorliegende Erfindung von Bedeutung sind, noch einmal abgeleitet werden. Für diesen Motor gilt, wenn die Übergangsspannungen zwischen den Bürsten und dem Stromwender vernachlässigt werden, folgende Gleichung

U_M = E ₊ I_A- R_A (I) wobei U.. = Motorspannung, E = induzierte Spannung, I. = Ankerstrom und R» = Ankerwiderstand

Die induzierte Spannung berechnet sich ihrerseits wiederum zu

E = |·η.ρ·0 (II)

wobei η = Drehzahl, ζ = Gesamtzahl der Leiter auf dem Anker, p= Polpaarzahl, a = Leiterabstand und 0 = Erregung

Die Motor-Drehzahl ergibt sich aus den Gleichungen (I) und (II) zu

(U_M-I_A.R_A) (III)

Man erkennt aus der Gleichung (III), daß die Drehzahl z.B. dadurch geändert werden kann, daß man die Motorspannung und/oder den Ankerwiderstand und/oder die Erregung ändert. In sehr vielen älteren Regelschaltungen wurde der Ankerwiderstand durch Einschalten eines Vorwiderstandes geändert, was jedoch den Nachteil mit sich brachte, daß in diesem Vorwiderstand elektrische Energie in Form von Wärme verbraucht wurde. Moderne Regel s^chal tungen verändern deshalb immer häufiger den Strom mittels sogenannter Impulsregelschaltungen. Hierbei wird der Ankerstrom impulsweise auf die Ankerwicklung gegeben, so daß sich der Strommittelwert nach dem Tastverhältnis bestimmt.

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Eine derartige Impulsregelschaltung ist in der Fig.2 näher dargestellt. Mit Hilfe dieser Impulsregelschaltung wird dem Motor 1 der Strom Iy impulsweise zugeführt, indem ein Schalttransistor 2 periodisch leitend wird. Als Energiespeicher wird die Induktivität des Motors 1 benutzt, so daß keine zusätzliche Speicherinduktivität für die Stromimpulse erforderlich ist.

Um den Schalttransistor 2 entsprechend dem gewünschten Tastverhältnis aktivieren zu können, ist der Motor 1 mit einem Tachogenerator 4 verbunden, der eine der Motordrehzahl proportionale Wechselspannung abgibt. Diese Wechselspannung wird in einem Frequenz-Gleichspannungswandler 5 in eine Gleichspannung umgewandelt und in einem Vergleicher 6 mit einer Spannung verglichen, die von einem Sollwert-Geber 7 kommt. Die Regelabweichung wird sodann auf einen Verstärker 8 gegeben, der mit einem Tastverhältniswandler verbunden ist. Dieser Tastverhältniswandler 9 steuert nun den Schalttransistor 2 entsprechend den Regelabweichungen.

Der Vorteil der Impulsregelschaltung besteht insbesondere darin, daß weder leistungsverzehrende Vorschaltwiderstände noch umständliche Spannungsveränderungen wie bei der LEONARD-Schaltung notwendig sind. Unter Berücksichtigung der Durchlaßverluste am Transistor 2 mit der Restspannung U-™ und der Flußspannung U^ an der Diode 3 ergibt sich die Aufnahmeleistung des Motors zu

^P = ^!ΑμΛ ^{+ 1}AM^D ^{+ 1}AM-UTR <^IV> Hierbei ist I_AM der zeitliche Mittelwert, der dem

or Motor zufließt. Da dieser Strom-Mittelwert I η μ Strom I,, in Gleichung (I) funktionsmäßig entspricht,

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kann man für die Aufnahmel ei stung setzen

^P = ¹AM <^{E + 1}AM^A) ^{+ 1}AM^D ^{+ 1}AM^TR <^V>
oder

P = Ι_ΑΜ·Ε ₊ 4-R_{A +} I_AM-U_{D +} I_AM. U_TR (VI)

In der Gleichung (VI) stellt nur der Ausdruck I_AM"E die mechanische Leistung des Ankers dar. Alle anderen Ausdrücke symbolisieren Verluste. Insbesondere ist
■, j-, auch erkennbar, daß die Wärmeverluste im Ankerwiderstand unverändert hoch sind.

In der Figur 3 ist noch einmal näher dargestellt,
wie sich der Strom I... bei der Impul sregel schal tung zusammensetzt. Man erkennt hierbei, daß während der Zeit t, der Transistor 2 durchgeschaltet wird, so

daß der Strom I_T auf den Motor 1 gelangen kann. Ist der Transistor während des anschließenden Zeitraums T-t, gesperrt, so entlädt sich die Motorinduktivität, die in der Zeit t. geladen wurde, über die Freilaufdiode 3. Es fließt also der Strom I₀- Durch das abwechselnde Fließen der Ströme Iy und I_n ergibt sich der Ankerstrom-Mittelwert I....

Aus der vorstehenden Diskussion der Figuren 2 und 3 _/ folgt, daß selbst bei einer elektronischen Regelung eines Gleichstrommotors, die im Gegensatz zur herkömmlichen Regelung mittels Vorschaltwiderständen
und dergleichen die Verlustleistung stark reduziert, die im Ankerwiderstand umgesetzte Verlustleistung
bei niedrigen Umdrehungszahlen dann relativ hoch ist, wenn die Ankerwicklung für höhere Drehzahlen ausgelegt wurde. An der Tatsache, daß bei niedrigen Drehzahlen die Gegen-EMK, die im Anker induziert wird,
relativ klein und damit der Ankerstrom bei konstanter Motorspannung relativ hoch ist, ändert sich auch bei der elektronischen Regelung nichts.

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In der Figur 4 ist ein Gleichstrommotor gemäß der Erfindung schematisch dargestellt. Es handelt sich hierbei um einen Gleichstromnebenschlußmotor 10, der im wesentlichen aus einem Gehäuse 11, zwei Polschuhen 12,13, einem Anker 14 mit zwei voneinander getrennten Ankerwicklungen 15,16 und einem Kommutator 17 besteht. Um die Polschuhe 12,13 sind Erregerwicklungen 18,19 geschlungen, die einerseits mit einem Schiebewiderstand 20 und andererseits mit den Stromzuführungsleitungen 21,22 zum Kommutator 17 verbunden sind. Zwischen den Stromzuführungsleitungen 21,22 und dem Kommutator 17 sind in bekannter Weise Kollektoren vorgesehen. Für die vorliegende Erfindung von besonderer Bedeutung sind - neben den beiden getrennten Wicklungen 15,16 die Schalteinrichtungen 25,26, welche die jeweilige Ist-Drehzahl des Ankers 14 feststellen und je nach der ermittelten Drehzahl die Ankerwicklung 15 oder die Ankerwicklung 16 ein- oder ausschalten.

Die in der Fig.4 dargestellten Ankerwicklungen 15, 16 haben verschiedene ohmsche Widerstände, während sie ansonsten gleiche Eigenschaften haben. Insbesondere wird in ihnen bei gleicher Umdrehungszahl die gleiche Spannung induziert. Dreht sich der Anker 14 beispielsweise mit 3000 Umdrehungen pro Minute, so registriert dies die Schalteinrichtung 25, die mit der hochohmigen Wicklung 16 verbunden ist. Sofern 3000 U/Min die niedrigere Umdrehungsgeschwindigkeit ist, schaltet die Schalteinrichtung 25 die Wicklung 16 ein; d.h. es wird nur zwischen der Wicklung 16 und d.em Kollektor 17 eine elektrische Verbindung hergestellt. Die Schalteinrichtung 26, welche für das Erkennen einer höheren Umdrehungsgeschwindigkeit ausgelegt ist, bleibt bei 3000 U/Min untätig und schaltet die Wicklung

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15 nicht an den Kollektor. Wird nun die Umdrehungsgeschwindigkeit des Ankers 14 z.B. auf 9000 Umdrehungen pro Minute erhöht, so schaltet die Schalteinrichtung 25 die hochohmige Wicklung 16 ab und die Schalteinrichtung 26 schaltet die niederohmige Wicklung 15 ein. Somit ist bei niedrigen Drehzahlen eine hochohmige und bei hohen Drehzahlen eine niederohmige Wicklung eingeschaltet.

Statt zweier Wicklungen 15,16, wie es in der Fig.4 dargestellt ist, können selbstverständlich auch 3,4....n Wicklungen mit entsprechenden An- und Abschaltern vorgesehen werden. Es ist auch nicht unbedingt nötig, in der Anordnung gemäß Fig.4 zweiverschiedene Schalteinrichtungen 25,26 vorzusehen. Es genügt, wenn nur eine Schalteinrichtung vorgesehen ist, die von einer ersten Schaltstellung in eine zweite übergeht, wenn sich die Drehzahl ändert. So könnte z.B. ein Fliehkraftregler vorgesehen sein, der die Wicklung 16 bis zur Drehzahl 9000 U/Min an den Kollektor schaltet und bei Erreichen dieser kritischen Drehzahl die Wicklung 15 unter gleichzeitiger Abschaltung der Wicklung 16 an den Kollektor 17 legt.

Durch die Verwendung zweier getrennter Wicklungen 15,16, von denen jeweils nur eine aktiv ist, wird natürlich auch in der jeweils inaktiven Wicklung eine Spannung induziert. Zur Erzeugung einer Spannung durch Bewegung von Leitern im Magnetfeld braucht man jedoch keine Kraft, also auch keine Leistung aufzuwenden. Dies ändert si*ch erst, wenn in den Leitern ein Strom fließt. Da aber nur in einer der Wicklungen 15,16 bei einer definierten Geschwindigkeit ein Strom fließen kann, trägt die in der inaktiven Wicklung induzierte Spannung nichts zum Drehmoment bei.

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In der Fig.5 ist eine Variante der Anordnung gemäß Fig.4 schematisch dargestellt. Man erkennt hierbei einen aus drei Segmenten 27,28,29 bestehenden Kollektor, der mit verschiedenen Wicklungen verbunden ist. Jede Wicklung besteht dabei aus zwei getrennten Wicklungen, nämlich einer hochohmigen Wicklung 30,31,32 für Normal drehzahl en und einer niederohmigen Wicklung 33,34,35 für Hochdrehzahlen. Im Normal betrieb, d.h. wenn der Motor mit Normal drehzahl läuft, sind nur die Wicklungen 30,31,32 über die Fliehkraftschalter 36,37, 38 eingeschaltet. Diese Fliehkraftschalter 36,37, 38 weisen jeweils ein Gewicht 39,40,41 auf, das die Schalter bei der Hochdrehzahl gegen die Kraft" einer Feder 42,43,44 nach außen bewegt. Während sich die Schalter nach außen bewegen, werden die Normalwicklungen 30,31,32 abgeschaltet. Nahezu gleichzeitig werden sodann die Hochdrehzahl-Wicklungen 33,34,35 eingeschaltet. Sinkt die Drehzahl ab, so fallen die Fliehkraftschalter 36,37,38 wieder zurück, bis sie auf den Stützen 45,46,47 aufliegen. Damit sind die Normal wicklungen 30,31, 32 wieder ein- und die Hochdrehzahlwicklungen 33,34,35 wieder ausgeschaltet.

Es versteht sich, daß das in der Fig.5 dargestellte Prinzip nicht auf nur zwei verschiedene Wicklungstypen beschränkt ist, sondern dass 3,4...η Wicklungen vorgesehen sein können, von denen bei einer bestimmten Umdrehungszahl jeweils nur eine eingeschaltet ist; Hierbei ist u.U. nur ein Fliehkraftschalter erforderlich, weil dieser Fliehkraftschalter bei η verschiedenen Umdrehungszahlen auch η verschiedene räumliche Stellungen einnimmt und in diesen verschiedenen räumlichen Stellungen verschiedene Wicklungen anschalten kann.

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Die Fig.6 zeigt eine Anordnung, welche weitgehend der Anordnung nach Fig.5 entspricht. Die übereinstimmenden Elemente sind deshalb mit denselben Bezugszeichen versehen. Anstelle einer zweiten Wicklung, welche bei einer bestimmten Umdrehungszahl unter Abschaltung der zuvor eingeschalteten Wicklung eingeschaltet wird, ist nunmehr eine zweite Wicklung 48,49,50 vorgesehen, welche der jeweils ersten Wicklung 30,31,32 paral1 el geschaltet wird.

Durch die Parallelschaltung der Wicklungen 30,48; 31,49; 32,50 wird der Gesamtwiderstand erniedrigt und somit die Verlustleistung gering gehalten. Im Gegensatz zu der Anordnung der Fig.5 können alle Wicklungen vollkommen gleich aufgebaut sein und insbesondere gleiche Widerstände besitzen, da die Widerstandsänderungen allein auf Grund von Paralleloder Michtparal1 el schaltungen erfolgen.

Bei niedrigen Umdrehungszahlen sind nur die Wicklungen 30,31,32 eingeschaltet, die einen relativ hochohmigen Widerstand darstellen. Wird nun die Hochdrehzahl erreicht, so bewegen sich die Fliehkraftschalter 51,52,53 nach außen und schalten die Wicklungen 48,49,50 parallel zu den Wicklungen 30,31,32. Hierdurch erniedrigt sich der Gesamtwiderstand der aktiven Wicklung, während ihre sonstigen Eigenschaften beibehalten werden. Geht anschließend die Drehzahl wieder zurück, so fallen die Fliehkraftschalter 51,52,53 nach innen und trennen die Wicklungen 48,49,50 von den Wicklungen _%30,31,32; d.h. die aktive Wicklung ist wieder hochohmig.

Die in der Fig.6 dargestellte Anordnung ist selbstverständlich ebenfalls nicht auf die Paral1 el schaltung von nur zwei Wicklungen beschränkt, sondern kann auf beliebig viele parallele Wicklungen erweitert werden.

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In der Fig. 6a ist eine weitere Anordnung gezeigt,, mit der eine Wicklungsumschaltung vorgenommen werden kann. Hierbei ist mit Hilfe von Kontaktbrücken symbolisch dargestellt, welche Wicklungsteile bei hohen bzw. bei niedrigen Drehzahlen miteinander, verbunden sind. Die im Vollstrich gezeichneten Brücken 101,102,103,104,105,106 stellen die Verbindungen dar, die bei niedrigen Drehzahlen hergestellt sind, während die gestrichelten Brücken 107,108,109, 110,111,112 die Verbindungen symbolisieren, die bei hohen Drehzahlen bestehen. Bei niedrigen Drehzahlen sind also die Wicklungen 113a und 113b sowie die Wicklungen 114a und 114b sowie die Wicklungen 115a und 115b jeweils in Reihe geschaltet. Dagegen sind die Wicklungen 114a und 114b sowie die Wicklungen 115a und 115b sowie die Wicklungen 113a und 113b bei hohen Drehzahlen jeweils parallel geschaltet. Dies bedeutet, daß' bei niedrigen Drehzahlen ein relativ hoher Wicklungswiderstand vorliegt, während '20 bei hohen Drehzahlen ein relativ niedriger Wicklungswiderstand gegeben ist. Die Wicklungen bzw. Wicklungsteile können hierbei in vorteilhafter Weise so ausgelegt sein, daß sich durch die Umschaltung nur ihre ohmschen Widerstände ändern, während ihre sonstigen elektrischen Eigenschaften unverändert bleiben.

Im übrigen gilt für die Umschaltung von einem Zustand in den anderen, daß diese sprunghaft erfolgen muß. Bei einer Laufbildkamera erfolgt beispielsweise die Umschaltung bei 5000 U/min (= 25 Bilder/Sekunde) und die Zurückschaltung auf die hochohmige Wicklung bei ca. 3500-4000 U/min. Die Sprunghafte Umschaltung ist erforderlich, damit keine bleibende Unterbrechung und/oder kein bleibender Wicklungskurzschluß entstehen kann.

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In der Fig.7 ist eine Einrichtung gezeigt, mit welcher die Umschaltung der Wicklungen, wie in der Fig.5 dargestellt, durchgeführt werden kann. Auf einem Anker 54 befinden sich hierbei zwei Wicklungen, die stellvertretend für eine Vielzahl von Wicklungen dargestellt sind. Bei der Wicklung 55 handelt es sich um eine hochohmige Wicklung, die bei niedrigen Geschwindigkeiten eingeschaltet ist, während die niederohmige Wicklung 56 nur bei hohen Geschwindigkeiten eingeschaltet ist. Die Umschaltung erfolgt dabei durch Fliehkraftschalter 57,57, die in der Fig.7 nur im Prinzip dargestellt sind. Dreht sich der Anker 54 langsam, so liegen die Fliehkraftschalter auf den Kontakten 59,60 auf und verbinden damit die Wicklung 55 mit den KoIlektorabgriffen 61,62, die auf einer mit der Ankerwelle 63 verbundenen Scheibe 64 angeordnet sind. Mit den Kollektorabgriffen 61,62 stehen Bürsten 65,66 in Berührung, die in Führungshülsen 67,68 geführt und von Federn 69,70 gegen die Kollektorabgriffe 61,62 gedrückt werden.

Über diese Federn 69,70 oder über andere elektrisch leitende Mittel sind die Bürsten 65,66 mit elektrischen Leitschichten 71,72 verbunden, von denen elektrische Verbindungsleitungen 73,74 auf eine Stromversorgung führen. Diese Stromversorgung kann nun entsprechend der in der Fig.2 gezeigten Anordnung geregelt werden, wobei die in der Fig.2 dargestellten Elemente 5,6,7,8,9 in der Fig.7 in einem integrierten Regel baustein 75'zusammengefaßt sind. Statt des Tachogeneraiors 4 der Fig.2 ist in der Fig.7 ein Impulsgeber vorgesehen, der z.B. mehrere auf dem Umfang verteilte Geber 76 enthält, die an einem auf einer ortsfesten Motor-Abschlußseite 77 angeordneten Empfänger 78 vorbeirotieren .

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Die Geber können z.B. Magnetpole sein, während der Empfänger 78 eine Spule sein kann. Je größer die Umdrehungsgeschwindigkeit der Scheibe 64 ist, umso größer wird die Anzahl der vom Empfänger 78 auf den Regel baustein 75 gegebenen Impulse sein.

Die Fliehkraftschalter 57,58 sind auf der Scheibe 64 gleitend angeordnet, d.h. es sind in der Scheibe 64 Führungsschienen 79,80 vorgesehen, in denen sich die Fliehkraftschalter 57,58 radial nach außen bzw. nach innen bewegen können. Bei der radialen Bewegung nach innen stoßen sie auf die Kontakte 59,60, während sie bei der radialen Bewegung nach außen auf die Kontakte 84,85 stoßen. ·

Die Scheibe 64 ruht ihrerseits auf der Welle 63, die in einem Lager 81 gelagert ist. Das für die Erzeugung einer Anker-EMK erforderliche Magnetfeld wird durch die Magnetpole 82,83 aufgebracht, die in der Fig.7 nur schematisch dargestellt sind.

In der Fig.8 ist eine Vorrichtung gezeigt, mit der es möglich ist, ohne Fliehkraftschalter auszukommen, wenn von einer Wicklung auf eine andere Wicklung umgeschaltet werden soll. Hierbei trägt z.B. die ortsfeste und nicht rotierende Motor-Abschlußseite 77 auf ihrem Innenradius eine Anzahl von Impulsgebern 86, an denen ein Impulsempfänger 87, der auf der Scheibe 64 angeordnet ist, vorbeirotiert. Je größer die Umdrehungszahl des Ankers 54 ist, umso mehr Impulse gibt der Empfänger auf eine Auswerteeinrichtung SS, die ebenfalls auf der Scheibe 64 angeordnet ist. Diese Auswerteeinrichtung kann z.B. einen Zähler enthalten, der die pro Zeiteinheit ankommenden Impulse zählt. Dieser Zähler kann nun in an sich bekannter Weise' auf Werte ein-

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gestellt v/erden, bei deren Erreichen er einen Steuerbefehl auf jeweils einen oder auf mehrere Schalttransistoren gibt. Diese Schalttransistoren verbinden sodann die jeweils richtigen Wicklungen 55,56 mit den Kollektorabgriffen 61,62. Der weitere Vorgang entspricht dann dem anhand der Fig.7 beschriebenen Vorgang.

Wie sich aus den vorangegangenen Erläuterungen ergibt, kann die Änderung des Widerstands der Ankerwicklung durch Umschalten erfolgen, wobei die Umschaltung einmal völlig unabhängig von einer vorhandenen Motorregelung und einmal unter Einbeziehung einer solchen Regelung erfolgen kann. Werden Fliehkraftregler als Umschalter eingesetzt, so kann die Änderung der Motordrehzahl auf beliebige Weise vorgenommen werden, z.B. durch Änderung der Motorspannung. Jedesmal wenn diejenige Drehzahl erreicht ist, die den Fliehkraftschalter ansprechen läßt, schaltet dieser die Ankerwicklung ein bzw. um.

Besonders vorteilhaft ist es indessen, wenn die Umschaltung rein elektronisch erfolgt, weil hierbei keine mechanischen Verschleißteile mehr benötigt werden. Für die elektronische Umschaltung sind lediglich ein Drehzahlmesser und elektronische Schalter, z.B. Schalttransistoren oder -thyristoren, erforderlich, wobei diese elektronischen Schalter bei ganz bestimmten Drehzahlen aktiviert werden.

Sofern eine die jeweils eingestellte Motor-Drehzahl konstant haltende elektronische Regeleinrichtung bereits vorhanden ist, scheint es zweckmäßig, diese Regeleinrichtung auch für die Betätigung der elektronischen Schalter heranzuziehen. Hierbei ist es

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möglich, die elektronischen Schalter entweder in Abhängigkeit von dem Drehzahl-Istwert oder in Abhängigkeit von dem Drehzahl-Sol!wert zu aktivieren.

Die Motor-Ist-Drehzahl kann mit einer Einrichtung gemäß Fig.7 festgestellt werden, die sich auf einer unbeweglichen Vorrichtung, z.B. auf dem Motor-Abschluß 77, befindet. Es ist aber auch möglich, diese Ist-Drehzahl auf der rotierenden Seite, z.B. auf der Scheibe 64, festzustellen, wie es in der Fig.8 gezeigt ist. Falls erforderlich, kann durch Kombination der Anordnungen gemäß der Figuren 7 und 8 die Ist-Drehzahl sowohl auf der ortsfesten ■ als auch auf der rotierenden Vorrichtung festgestellt werden.

Die Drehzahl-Sol 1 werte sind gewöhnlich nur auf der ortsfesten Seite verfügbar, wo sich die Regeleinrichtung befindet. Will man diese Werte auf die rotierende Seite überfragen, so kann dies drahtlos über Funk oder Ultraschall geschehen. Eine besonders einfache Methode besteht jedoch darin, daß man die Soll-Werte auf der ortsfesten Seite digital mit Hilfe* von Leuchtdioden oder dergleichen darstellt und diese digitalen Werte mit einem auf der rotierenden Seite angeordneten Photowiderstand oder -transistor abtastet, dem eine Auswerteeinrichtung nachgeschaltet ist, welche ihrerseits die elektronischen Schalter ansteuert.

Die Werte der ohmsche-n Widerstände der Ankerwicklungen werden zweckmäßigerweise so ausgelegt, daß die in Ihnen umgesetzte Verlustleistung möglichst gering ist, wobei jedoch in allen Drehzahlbereichen das notwendige Drehmoment aufgebracht werden muß.

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Claims

Braun Aktiengesellschaft
Rüsselsheimer Strasse 22
6000 Frankfurt am Main

Gleichstrommotor für verschiedene Drehzahlen

Patentansprüche

!../Gleichstrommotor für verschiedene Drehzahlen, bei dem der Ankerwiderstand in Abhängigkeit von der Motor-Drehzahl verändert werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß der Ankerwiderstand bei niedrigen Motor-Drehzahlen relativ hochohmig und bei hohen Drehzahlen relativ niederohmig ist.
2. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß voneinander getrennte Ankerwicklungen (15,16;30,33;31,34,32,35) vorgesehen sind, die verschiedene ohmsche Widerstände besitzen und daß mit Hilfe von Einrichtungen (25, 26;36,37;57,58), welche Motor-Drehzahlen feststellen können, bei einer bestimmten Drehzahl jeweils eine bestimmte 7\nkerwickl ung aktiv geschaltet wird.
3. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß voneinander getrennte Ankerwick-

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ORIGINAL INSPECTED

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lungen (30,48 ;31,49 ;32 ,50) vorgesehen sind, die mit Hilfe von Einrichtungen (51,52,53), welche Motor-Drehzahlen feststellen können, in Abhängigkeit von den jeweiligen Drehzahlen parallel schaltbar sind.
4. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung des Ankerwiderstands in Abhängigkeit vom Istwert der Motordrehzahl erfolgt.
5. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung des Ankerwiderstands ■ in Abhängigkeit vom Sollwert der Motordrehzahl er·^ folgt.
6. Gleichstrommotor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen, welche Motor-Drehzahlen feststellen können, an sich bekannte Fliehkraftschalter (36,37,38 ;51,52 ,53 ; 57,58) sind.
7. Gleichstrommotor, insbesondere nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen, welche Motor-Drehzahlen feststellen können, elektronische Einrichtungen (86,87,88) sind, welche elektronische Schalter (89,90,91,92) in Abhängigkeit von der Drehzahl öffnen oder schließen.
8. Gleichstrommotor, insbesondere nach den Ansprüchen 1,2 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Einrichtungen einerseits ortsfeste Impulsgeber (86) und andererseits mit dem Anker (54) rotierende Impulsempfänger (87) aufweisen, wobei die Impulsempfänger (87) mit einer Auswerteeinrichtung (88) verbunden sind, welche die elektronischen Schalter (89,90,91,92) ansteuert.

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9. Gleichstrommotor, insbesondere nach den Ansprüchen 1,2,7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem Anker (54) rotierende Irnpulsempfänger (87) auf einer Scheibe (64) angeordnet ist, die fest mit der Ankerwelle (63) verbunden ist.
10. Gleichstrommotor nach den Ansprüchen 1,2 und

6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fliehkraftschalter (57,58) radial verschieb!ich auf einer Scheibe (64) angeordnet sind, die fest mit der Ankerwelle (63) verbunden ist und daß diese Fliehkraftschalter (57,58) bei niedrigen Umdrehungsgeschwindigkeiten hochohmige Wicklungen (55) und bei hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten niederohmige Wicklungen (56) mit Kollektorabgriffen (61,62) verbinden, die sich ebenfalls auf der Scheibe (64) befinden.
11. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankerwiderstände über Bürsten (65,66) mit einer Energieversorgungsquelle verbindbar sind, wobei die Bürsten (65,66) mit Hilfe von Federn (70,71) gegen Kollektorabgriffe (61,62) gedrückt werden, die sich auf einer mit der Ankerwelle (63) rotierenden Scheibe (74) befinden und wobei die Bürsten (65,66) ihrerseits durch Führungshülsen (67,68) geführt sind, die sich auf einem ortsfesten Motor-Abschluß (77) befinden.
12. Gleichstrommotor, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstanthaltung der jeweils -eingestellten* Motor-Drehzahl- durch eine elektronische Regeleinrichtung erfolgt.
13. Gleichstrommotor, insbesondere nach den Ansprüchen 1,4 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß

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eine mit der Ankerwelle (63) verbundene Scheibe (64) vorgesehen ist, auf der sich Impulsgeber (76) befinden, die an einem ortsfesten Impulsempfänger (78) vorbeirotieren, der seinerseits mit einer elektronischen Regeleinrichtung (75) verbunden ist, die einen in der Energieversorgungsleitung liegenden elektronischen Schalter entsprechend der jeweiligen Drehzahl ansteuert.
14. Gleichstrommotor nach den Ansprüchen 1,5 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Regeleinrichtung (75) einen Sollwertgeber (7) aufweist, dessen Ausgangssignal einem Schwellwertschalter zugeführt wird, der in Abhängigkeit von einem oder von mehreren Umdrehungszahl-Schwel!werten elektronische Schalter (89,90,91,92) ansteuert, die bestimmte Ankerwicklungen (55,56) an Kollektorabgriffe (61,62) legen.
15. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ankerwiderstand bei hohen und bei niedrigen Drehzahlen jeweils so bemessen wird, daß die am Ankerwiderstand umgesetzte Verlustleistung ein Minimum ist, und zwar unter Berücksichtigung des jeweils erforderlichen Drehmoments.
16. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung des Ankerwiderstands beim übergang von hohen Drehzahlen auf niedrige Drehzahlen und umgekehrt sprunghaft erfolgt.
17. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Wicklungsteile (113a,113b; 114a, 114b; 115a,115b) vorgesehen sind, die bei niedrigen Drehzahlen in Serie und bei hohen Drehzahlen parallel geschaltet sind.

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