DE2822315A1

DE2822315A1 - Kollektorloser gleichstrommotor

Info

Publication number: DE2822315A1
Application number: DE19782822315
Authority: DE
Inventors: Benno Doemen
Original assignee: Papst Motoren GmbH and Co KG
Current assignee: Papst Licensing GmbH and Co KG
Priority date: 1978-05-22
Filing date: 1978-05-22
Publication date: 1979-12-06
Also published as: US4542323A; DE2822315C2

Description

Kollektorloser Gleichstrommotor

Papst-Motoren KG *i 18.5.1978

7742 St.Georgen/Schw. o55-Beh/schl

DT-224

Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen Gleichstrommotor mit permanentmagnetischem Rotor und einem Rotorstellungsdetektor, ferner mit einer Motorwicklung, die über eine mit Halbleiterschaltern ausgebildete Vollbrücke in alternierenden Richtungen mit Strom versorgt wird, ferner mit einer Einrichtung zum Reduzieren des Stromes in der Vollbrücke im Bereich der Zeiträume, in denen jeweils die Stromrichtung in der Motorwicklung gewendet wird.

Ein derartiger Motor ist bekannt aus der DE-PS 1 2o8 8o3. Um bei diesem bekannten Motor zu vermeiden, daß im Bereich der Kommutierung der Statorströme Kurzschlüsse auftreten, sind dort mit der Vollbrücke zwei Halbleiterschalter in Serie geschaltet, die jeweils im Kommutierungszeitpunkt, also im Augenblick der Stromwendung, den Strom zur Vollbrücke sperren. -

Diese baknnte Vorrichtung ist zwar effektiv und verhindert Kurzschlüsse und durch diese bewirkte Folgeschäden, ist aber teuer, weil zusätzliche, besonders leistungsstarke und damit teure Halbleiterschalter für die Sperrung des Gesamtstromes der Brücke sowie entsprechende Steuereinrichtungen hierfür benötigt werden.

Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, hier eine Vereinfachung und weiterhin für gemäß der DE-OS 22 25 442 einfach aufgebaute kollektorlose Gleichstrommotoren bei leistungsstärkerem Betrieb eine einfache und sichere Schaltung zu erreichen, welche außerdem die Kommutierungsimpulse vorteilhaft aufbereitet.

Die Erfindung ist besonders vorteilhaft, wenn der Motor ein-oder zweipulsig ist, das heißt seine Statorwicklung ein Wechselfeld erzeugt, wobei auf den Rotor wenigstens in den Drehmomentenlücken ein nicht elektro-dynamisches (elektromagnetisches) Hilfsmoment, vorzugsweise ein sogenanntes Reluktanzmoment, wirkt, wobei der

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Stator vorzugsweise nur eine einsinnig gewickelte Spule aufweist, Solche Motoren können einen Rotorstellungsdetektor mit nur einem Steuerelement aufweisen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen.

Durch die Sperrung der gesamten Vollbrücke im Augenblick der Stromwendung erreicht man die gewünschte Sicherheit gegen Kurzschlüsse und zwar ohne zusätzliche Leistungstransistoren und dergleichen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Steuerschaltungen und der Strom-und Drehzahlregelung offenbaren die Figurenbeschreibungen.

Es zeigen:

Figur 1 eine Kommutierungsschaltung mit Zenerdiode im Vorverstärker zur Aufbereitung der Steuerspannung für die Treibertransistoren,

Figur 2 eine Kommutierungsschaltung mit Kopplung der Treibertransistoren über Kondensatoren an das Steuersignal,

Figur 3 eine Kommutierungsschaltung mit Temperaturkompensierung der Steuerspannung,

Figur 4 eine Kommutierungsschaltung nach Figur 1 mit Statorstrombegrenzung,

Figur 5 eine Kommutierungsschaltung nach Figur 2 mit einstellbarer Referenzspannung zur Statorstrombegrenzung,

Figur 6 eine Kommutierungsschaltung nach Figur 3 mit Statorstrombegrenzung und Drehzahlregelung und

Figur 7 die Figur 6 als Funktionsschaubild.

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Figur 1 zeigt eine Schaltung für einen zweipoligen kollektorlosen Gleichstrommotor mit einsträngiger Statorwicklung 1, in welcher ein reines Wechselfeld erzeugt wird» das durch einen Hallgenerator 2 in Abhängigkeit von der Rotorstellung gesteuert wird.

Der Hallgenerator 2 liegt in Reihe mit den Widerständen 5, 6 an der Betriebsspannung, während die Hal Igeneratorausgänge 3, 4 direkt mit den Basen der Transistoren 7, 8 eines Differenzverstär kers verbunden sind. Signaländerungen als Folge einer geänderten Rotorstellung führen zu Änderungen der in den Transistoren 7, 8

fließenden Ströme und damit zu wechselnden Spannungsfällen an den Widerständen 9, lo. Diese Spannungsfälle werden nicht direkt zur Steuerung der Transistoren 11, 12 und der Endstufentransistorpaare 13, 14 und 15, 16 verwendet, da zwischen dem Sperr-und Durchsteuersignal eine ausreichend große zeitliche Differenz gegeben sein muß, um zu verhindern, daß eines der Transistorpaare durchgesteuert wird, während das andere noch leitend ist.

Diese erwünschte zeitliche Differenz zwischen dem Sperren und Durchschalten der Endstufentransistorpaare 13, 14 bzw. 15, 16 zum Kommutierungszeitpunkt wird durch die Bauelemente 17, 18, 19 bzw. 2o, 21, 22 erreicht. Gesperrt werden die Treibertransistoren 11, 12 jeweils sofort, wenn der Potential unterschied an den Widerständen 9, Io unter die Zenerspannung der Zenerdiode 18 bzw. 21 sinkt, während zur Durchsteuerung eines Treibertransistors der Potentialunterschied mindestens den Wert der Zenerspannung erreichen muß, um über die Transistoren 19 bzw. 22 den zugehörigen Treibertransistor 11 bzw. 12 und das Transistorendstufenpaar 13, 14 bzw. 15, 16 durchzuschalten.

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Zum Schutz der Endstufentransistoren 13, 14, 15, 16 gegen Spannungsspitzen durch Umwandlung der in der Statcrwicklung 1 gespeicherten magnetischen Energie in elektrische Energie beim Wechsel der Endstufentransistoren In den gesperrten Zustand, sind den Kollektor-Emitterstrecken Dioden 113, 114, 115, 116 parallel geschaltet.

In Figur 2 ergibt sich die erforderliche zeitliche Differenz zwischen dem Sperren und Durchschalten der Endstufentransistorenpaare 13, 14 bzw. 15, 16 aus der Ansteuerspannung der Treibertransistoren 11, 12. Als Folge einer geänderten Rotorstellung und der damit geänderten Spannung am Ausgang 3, 4 des Hallgenerators werden die Transistoren 7, 8 wechselweise gesperrt und durchgeschaltet. Eine Durchschaltung des Transistors 8 bewirkt parallel zum Widerstand Io einen Stromfluß über den Kondensator 24 und den Widerstand 22 und damit die Durchschaltung des .Treibertransistors 11 und des zugehörigen Endstufentransistorpaares 15, 16. Die während dieser Zeit gegebene Aufladung des Kondensators 24 führt zu einer vorgezogenen Sperrung des Treibertransistors 11 und des Endstufentransistorpaares 15, 16, sofern die Hallspannung am Ausgang 4 des Hai 1 generators 2 absinkt. Dies geschieht bevor der Transistor 7 und damit der Treibeltransistor 12 über den Kondensator 25 und den Widerstand 23 und nachfolgend das Endstufentransistorpaar 13, 14 durchgesteuert werden. Während dieser Zeit entlädt sich der Kondensator 24 über die Widerstände Io und 22, so daß nach Biner weiteren Drehbewegung des Rotors über die absinkende Hallspannung am Ausgang 3 des Hallgenerators 2 der Transistor 7 ge-

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sperrt wird und der Vorgang sich in wechselnder Folge wiederholen kann. Damit fließt in der Statorwicklung, abhängig von der Rotorstellung, Strom in wechselnden Richtungen.

In der Figur 3 wird die Temperaturabhängigkeit der Hallspannung durch eine Rückkopplung über die Widerstände 3o bzw. 31 kompensiert, so daß die Steuerspannungen an den Basen der Transistoren 32 bzw. 33 unabhängig von der Umgebungstemperatur bleiben.

Da sich die Ausgangsspannung am Hallgenerator U„ um ca. 2%/K und dessen Innenwiderstand R-_{H um ca>} _χ^_%/^ .^^^ _beeinflußt diese Innenwiderstandsänderung die Verstärkung des Transistors bzw. 8 in der Weise, daß z.B. bei höherer Umgebungstemperatur die geringere Hallspannung als Folge des niedrigeren Innenwiderstandes des Hal 1 generators und der damit verbundenen geringeren Gegenkopplung höher verstärkt wird.

Bei ungefähr gleichen Hall spannungen an den Ausgängen 3, 4 des Hallgenerators 2 liegen an den Basen der Transistoren 32, 33 die gleichen Spannungen, so daß durch die kreuzweise Verbindung der Emitter und Basen der Transistoren 32, 33 diese und damit die Treibertransistoren 11, 12 und die Endstufentransistorpaare 13, bzw. 15, 16 gesperrt sind.

Eine Hai 1 Spannungsänderung am Ausgang 3 des Hallgenerators 2 und die Durchschaltung des Transistors 7 und die damit vorab zwangsläufig gegebenen Hallspannungsänderung am Ausgang 4 und Sperrung rung des Transistors 8 führt zur Durchsteuerung des Transistors 32, des Treibertransistors 12 und des Transistorendstufenpaares 13, 14. Eine absinkende Hallspannung an der Basis des Transistors 7, bedingt durch die Drehung des Rotors, führt zur Sperrung des

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Transistors 32, des Treibertransistors 12 und des Endstufentransistorpaares 13, 14. Erst die ausreichend höhere Hallspannung am Ausgang 4 zum Ausgang 3 des Hall generators 2 führt zur Durchsteuerung des Transistors 33, des Treibertransistors 11 und des Endstufentransistorpaares 15, 16. Da die Hal I Spannungsänderungen an den Ausgängen 3 und 4 des Hai 1 generators 2 von den Positionsänderungen des Rotors abhängig und somit zeitbehaftet sind, ist sichergestellt, daß kurz vor dem Kommutierungszeitpunkt beide Endstufentransistorpaare 13, 14 und 15, 16 gesperrt sind, wodurch trotz wechselnder Durchsteuerung der Endstwfentransistorpaare ein Kurzschließen der Betriebsspannung zum Kommutierungszeitpunkt unmöglich ist.

Eine Drehzahlregelung bei Betriebsspannungsschwankungen oder der Einsatz des Motors für weite Betriebspannungsbereiche bei gleicher Schaltungsauslegung ist durch die bekannten Schaltungen zur Spannungsregelung möglich. Da aber im Allgemeinen diese Art der Anpassung zusätzlich Verluste bringt, was insbesondere bei batteriebetriebenen Geräten unerwünscht ist, werden nachfolgend verschiedene vorteilhafte Regel schaltungen beschrieben.

In Figur 4 wird durch das Schließen des Schalters 51 der Transistor 53 durchgesteuert, so daß der Hai 1 generator 2 über die Widerstände 5, 6 an Spannung liegt und die in den Figuren Ibis 3 be - schriebene Ansteuerung der Endstufentransistorpaare 13, 14 bzw. 15, 16 erfolgen kann.

Zur Regelung der Drehzahl ist zur Statorwicklung 1 ein niederohmiger Widerstand 54 in Reihe geschaltet, so daß der aus dem Strom resultierende Spannungsfall an Widerstand 54 den Kondensa-

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tor 56 auflädt. Erreicht die Spannung am Kondensator 56 die zum Durchsteuern des Transistors 57 notwendige Höhe, führt dies zur Sperrung des Transistors 53 und damit zur Sperrung der Transistcren7, 8, der Treibtransistoren 11, 12 und der Endstufentransistorpaare 13, 14 bzw. 15, 16.

Die einsetzende Entladung des Kondensators 56 über die Widerstände 54 und 55 führt zur Sperrung des Transistors 57, zur nachfolgenden Durchsteuerung des Transistors 53 und als Folge zum Stromfluß in der Statorwicklung 1 in Abhängigkeit von den Spannungen an den Ausgängen 3, 4 des Hallgenerators 2. Dieser Stromfluß in der Statorwicklung 1 lädt den Kondensator 56 erneut auf und wiederholt die beschriebene Sperrung des Endstufentransistorpaares 13, 14 bzw. 15, 16.

Der Einsatzpunkt dieser durch Sperren der Endstufentransistorpaare bedingten Regelung des Motorstromes liegt im Normal fall bei der kleinsten zulässigen Betriebsspannung. Ein Ansteigen der

Betriebsspannung führt zu einer entsprechend höheren Anzahl von Sperrvorgängen, so daß sich vorteilhaft ergibt, daß der Motorstrom in seinen Spitzenwerten nicht von der Höhe der Betriebsspannung abhängig ist, sondern nur die Anstiegszeit des Stromes beeinflußt wird. Die Aufladung des Kondensators 56 auf den zur Durchschaltung des Transistors 57 erforderlichen Wert führt bei höheren Betriebsspannungen folglich nur zu einer erhöhten Anzahl von Sperrimpulsen pro Zeiteinheit. Dadurch ist gegeben, daß der Strom in der Statorwicklung 1 bzw. die Leistungsaufnahme des Motors einschließlich Steuerschaltung in weiten Grenzen konstant

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Dies gilt für den Anlauf des Motors in gleicher Weise, so daß auch bei Motoren mit hohem Wirkungsgrad und damit kleinem ohmschem Widerstand der Statorwicklung 1 der Anlaufstrom gleich dem Dauerlaufstrom ist. Die Auswahl der Endstufentransistoren wird somit nach dem Dauerlaufstrom getroffen. Für Motoren hoher Leistung sind die Endstufentransistoren 13, 14 bzw. 15, 16 wegen der notwendigen höheren Verstärkung gegebenenfalls durch Darlingtontransistoren zu ersetzen.

Der Schalter 51 kann in Weiterbildung auch ein weiteres Regelglied, u.a. ein PTC-Widerstand oder Foto-Transistor, sein "und in Abhängigkeit von der Temperatur oder durch optische Signale den Motor ein-oder ausschalten. Der Schaltstrom ist dabei vorteil^ haft klein.

Figur 5 zeigt eine Regelschaltung, bei der die Sperrimpulse direkt zur Sperrung jeweils eines Transistors der Transistorendstufenpaare 13, 14 bzw. 15, 16 verwendet werden. Diese einseitige Sperrung des Zweiges.bewirkt, daß sich die in elektrische Energie umwandelnde, in der Statorwicklung 1 gespeicherte magnetische Energie über den nicht gesperrten Transistor 13 bzw. 15 des Transistorendstufenpaares kurzgeschlossen wird. Die dabei auftretende Spannung ist im Gegensatz zur Spannung nach Figur 4 gering, da wenige Bauelemente als Widerstände im Kurzschlußkreis vorhanden sind und die Betriebsspannung zum Fließen des Kurzschlußstromes nicht erst erreicht werden muß. Hieraus ergeben sich weitere vorteilhafte Anwendungen des Motors, da dies die Funkstörspannung mit geringem schaltungstechnischem Aufwand in vorgegebenen Grenzen hält.

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Wie in Figur 4 wird der Strom in der Statorwicklung 1 als Spannungsfan am Widerstand 54 zur Strombegrenzung für den Anlauf und Dauerbetrieb herangezogen, d.h. dieser Spannungsfall lädt den Kondensator 56 auf und bewirkt über den Operationsverstärker 64 ein Durchschalten der Transistoren 6o und 61> sofern die Spannung am Kondensator 56 den Wert einer am Spannungsteiler 62, 63 eingestellten Referenzspannung überschreitet. Die Durchschaltung der Transistoren 6o und 61 sperrt den abhängig von der Rotorstellung durchgeschalt?ten Transistor 14 oder 16, so daß die Statorwicklung 1 nicht mehr mit der Betriebsspannung verbünden ist und an den Widerständen 54 und 55 nur noch der Entladestrom des Kondensators 56 meßbar ist. Sinkt die Spannung am Kondensator 56 auf den vorgegebenen Wert, werden die Transistoren 6o, über den Operationsverstärker 64 gesperrt, so daß über die Ansteuerung des Treibertransistors 11 bzw. 12 und äes Transistorendstufenpaares 13, 14 bzw. 15, 16 Strom durch die Statorwick-Vung 1 fließt. Die Häufigkeit der Sperrimpulse aus dem Statorstrom ist abhängig von der eingestellten Referenzspannung am Widerstand 63, von der Betriebsspannung und der in die Zeitkonstante eingehenden Bauelemente.

Ober die Vorteile der Figuren 4 und 5 hinaus wird nach Figur 6 nicht nur der Strom in der Statorwicklung 1 geregelt, sondern kombiniert damit über eine monostabile Kippstufe eine Drehzahlregelung des Motors durchgeführt. Steuerimpulse von den Treibertransistoren 11, 12 werden über die Dioden 7o, 71 der monostabilen Kippstufe 72 zugeführt, die dann getriggert wird, wenn beide Treibertransistoren 11, 12 gesperrt sind. Dies ist jeweils zum

Kommutierungszeitpunkt der Fall. - Io -

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Nach jedem Triggerimpuls steht am Ausgang 73 der monostabilen Kippstufe eine Spannung konstanter Größe zur Verfügung, die den Kondensator 74 über den Widerstand 75 auflädt. Nach einer fest vorgegebenen Zeit, die aus der Sol I-Drehzahl des Motors abgeleitet ist, fällt die monostabile Kippstufe 72 in ihre stabile Schaltstellung zurück und der Kondensator 74 entlädt sich bis zur erneuten Triggerung, d.h. bis zum Zeitpunkt der Sperrung bei der Transistoren 11, 12. Solange die Spannung am Kondensator 74 über dem Wert der Spannung am Kondensator 56 liegt, sperrt der Operationsverstärker 64 die Transistoren 6o und 61.

Wie in den Figuren 4 und 5 wird die Spannung am Kondensator 56 aus dem Spannungsfall am niederohmigen Widerstand 54 abgeleitet. Steigt die Spannung am Kondensator 56 über den Wert am Kondensator 74, so werden über den Operationsverstärker 64 die Transistoren 6o und 61 durchgeschaltet und damit der durchgesteuerte Transistor 14 bzw. 16 der Transistorendstufenpaare 13, 14 bzw. 15, 16 gesperrt und der Stromfluß in der Statorwicklung 1 unterbrochen. Dadurch entlädt sich der Kondensator 56 über die Widerstände 54 und 55, so daß nach kurzer Zeit die Transistoren 6o und 61 gesperrt werden und wieder Strom in der Statorwicklung 1 fließt. Die Spannung am Kondensator 74 ist als Referenzspannung zur Drehzahlregelung gegen Betriebsspannungsschwankungen und Änderung der Umgebungstemperatur weitgehend stabili-siert, so daß die Stromunterbrechungen zur Strombegrenzung in der Statorwicklung 1 aus dem Vergleich der Spannungen an den Kondensatoren 56 und 74 abgeleitet werden.

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Da die Steuerspannungen zur Steuerung der Transistorendstufenpaare 13, 14 und 15, 16 wahlweise nach den Figuren 1 bis 3 gewonnen werden können und die Regelung des Stromes bzw. der Drehzahl nach den Figuren 4 bis 6 erfolgen kann, ergeben sich für unterschiedliche Anwendungsfälle günstige Lösungen für die Steuerschaltungen. Zur besseren Übersicht si.nd die funktionsmäßig gleichen Bauteile gleich beziffert.

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Claims

Papst-Motoren KG - 4Γ - 18.5.1978 St.Georgen/Schw. Patent - Ansprüche

1. jKollektorloser Gleichstrommotor mit permanentmagnetischem Rotor und einem Rotorstellungsdetektor, ferner mit einer Motorwicklung, die über eine mit Halbleiterschaltern ausgebildete Vollbrücke in .al ternierenden Richtungen mit Strom versorgt wird, ferner mit einer Einrichtung zum Reduzieren des Stromes in der Vollbrücke im Bereich der Zeiträume, in denen jeweils die Stromrichtung in der Motorwicklung gewendet wird,

dadurch gekennzeichnet, daß der Motor eine einzige Motorwicklung (1) aufweist und daß dem Rotorstellungsdetektor ein nicht linearer Verstärker nachgeschaltet ist, welcher die im Bereich der Stromwendung auftretenden Ausgangssignale des Rotorstellungsdetektors (2) in Signale umformt, die alle Halbleiterschalter (13 bis 16) der Vollbrücke (B) sperren.

2. KoI lektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom in der Statorwicklung (1) durch eine Folge kurzer Sperrimpulse geregelt wird.

3. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrung des Statorstromes durch einseitiges Sperren eines der Transistoren jedes Transistorendstufenpaares (13, 14 bzw. 15, 16) erfolgt.

4. Kollektorlöser Gleichstrommotor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß über eine Referenzspannung die Statorstrombegrenzung einstellbar ist.

5. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannung drehzahlabhängig ist (als Führungsgröße in der Regelungstechnik bekannt).

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6. Koilektorloser Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfsmoment ein durch Gestaltung des Statoreisenquerschnitts erzeugbares und in seinem Verlauf veränderbares Reluktanzmoment ist.

7. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorwicklung von nur einer gleichsinnig gewickelten Spule gebildet wird.

8. Kollektorloser Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein magnetfeldabhängiges Steuerelement, insbesondere ein Hai 1 generator, vorgesehen ist.

9. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Hallgenerator Vorverstärker aufweist.

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