DE2829685A1

DE2829685A1 - Mit gleichspannung gespeister motor

Info

Publication number: DE2829685A1
Application number: DE19782829685
Authority: DE
Inventors: Nils Hansson Nygaard
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1978-07-06
Filing date: 1978-07-06
Publication date: 1980-01-17
Also published as: CA1147019A; GB2025168A; NL7905263A; AU523092B2; IT7968408A0; US4270075A; SE7905891L; DK277679A; GB2025168B; DE2829685C2; FR2430690A1; AU4868479A; JPS5513694A; BE877287A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen mit Gleichspannung gespeisten Motor mit mindestens zwei abwechselnd mit Strom versorgten Ständerwicklungen, die ^e mit einem steuerbaren Halbleiterschaltelement in Reihe liegen, wobei diese ersten Reihenschaltungen parallel zueinander mit den Gleichspannungs-Anschlüssen verbunden sind und jeder Ständerwicklung ein Entmagnetisierungszweig mit einer der Durchlaßrichtung des Halbleiterschaltelements entgegengeschalteten Freilaufdiode zugeordnet ist.

Motoren dieser Art sind bekannt. Sie haben einen Läufer mit einem zweipoligen Dauermagneten und einen Ständer mit ausgeprägten Polen und zwei bifilar gewickelten Ständerwicklungen. Den Ständerwicklungen wird über die steuerbaren Halbleiterschaltelemente abwechselnd Strom zugeführt. Der richtige Umschaltaugenblick wird durch einen die Drehwinkellage feststellenden Fühler bestimmt. Jedes Halbleiterschaltelement ist durch einen die entgegengeschaltete Freilaufdiode aufweisenden Entmagnetisierungskreis überbrückt.

Ohne Entmagnetisierungszweig würde beim Abschalten einer Ständerwicklung aufgrund der Induktivität an der abgeschalteten Wicklung eine sehr große, der Versorgungsspannung entgegengerichtete Spannung entstehen, welche die Halbleiterschaltelemente beschädigen

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kann. Mit dem Entmagnetisierungszweig kann jedoch in der GgYgI_n-S anderen Ständerwicklung eine Spannung induziert werden, die/Strom über eine Freilaufdiode zurück in die Spannungsquelle treibt, ohne daß die Halbleiterschaltelemente einer Überspannung ausgesetzt werden. Diese Schaltung eignet sich aber nur für Motoren mit einer zweiphasigen Wicklung. Außerdem wird der Aufbau des von der neu eingeschalteten Ständerwicklung erzeugten Magnetfeldes verzögert.

Es ist ferner bekannt, parallel zu jeder Ständerwicklung eine Freilaufdiode zu schalten . Diese bildet einen Kurzschlußpfad, über den der Wicklungsstrom weiterfließen kann, bis die während der leitenden Periode des Halbleiterschaltelements in der Spule gespeicherte magnetische Energie durch Verluste innerhalb der Ständerwicklung abgebaut ist. Dies hat zur Folge, daß der magnetische Fluß noch längere Zeit nach dem Abschalten des Halbleiterschaltelements aufrechterhalten bleibt und den Motor abbremst oder eine Drehung überhaupt verhindert. Zwar kann man diese Zeit und damit den Bremseffekt abkürzen, indem die Freilaufdiode mit einem ohmschen Widerstand in Reihe geschaltet wird. Auch dabei wird die magnetische Energie in Verlustleistung umgesetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Motor der eingangs beschriebenen Art anzugeben, dessen Ständerwicklungen auch drei- oder mehrphasig geschaltet sein können und bei dem die Möglichkeit besteht, die in einer Ständerwicklung gespeicherte magnetische Energie nach dem Abschalten nicht nur sehr rasch und verlustarm abzubauen, sondern auch den Aufbau des von der eingeschalteten Ständerwicüung zu erzeugenden Magnetfeldes zu unterstützen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Entmagnetisierungszweige aus parallel zu den ersten Reihenschaltungen liegenden zweiten Reihenschaltungen bestehen, die je eine Freilaufdiode und eine Entmagnetisierungswicklung aufweisen, die induktiv mit der zugehörigen Ständerwicklung ge-

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koppelt und entgegengesetzt zu dieser gewickelt ist.

Bei diesem Motor wird beim Abschalten einer Ständerwicklung eine Spannung in der zugehörigen Entmagnetisierungswicklung erzeugt, die einen Strom durch diese Entmagnetisierungswicklung, die zugehörige Freilaufdiode, ein in den leitenden Zustand gesteuertes Halbleiterschaltelement und die hiervon geschaltete Ständerwicklung fließen läßt. Auf diese Weise wird die magnetische Energie der abgeschalteten Ständerwicklung sehr rasch abgebaut. Sie wird nicht vernichtet, sondern zur Aufrechterhaltung oder sogar zum Aufbau des magnetischen Feldes der gerade eingeschalteten Ständerwicklung benutzt. Eine Rückführung des Stroms in die Spannungsquelle erübrigt sich in der Regel ganz oder weitgehend. Entsprechend hoch ist der Wirkungsgrad der Maschine. Der in der Entmagnetisierungswicklung fließende Strom ist dem in der abgeschalteten Ständerwicklung zuvor fließenden Strom entgegengesetzt; da aber die Entmagnetisierungswicklung in Gegenrichtung gewickelt ist, ergibt sich trotzdem ein Magnetfeld in der richtigen Richtung.

Eine solche Anordnung ist besonders geeignet für Motoren mit in drei Phasen angeordneten Ständerwicklungen und einem Kurzschlußläufer. Wenn man die Ständerwicklungen zyklisch einschaltet und damit ein Drehfeld erzeugt, erfährt dieses Drehfeld beim Umschalten durch die Entmagnetisierungswicklungen keine Behinderung, sondern eine Unterstützung.

Eine räumlich gute Ausnutzung ergibt sich, wenn in den Ständernuten drei um je 120° versetzte und je aus zwei um 180° versetzten Hälften bestehende Ständerwicklungen und entsprechende Entmagnetisierungswicklungen angeordnet sind.

Günstig ist es, wenn die Halbleiterschaltelemente so steuerbar sind, daß immer nur eine Ständerwicklung mit Strom versorgt ist und gleichzeitig mit dem Abschalten des einen das Einschalten der nächsten Ständerwicklung erfolgt. Dies bedeutet,

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bei einem Drei-Phasen-Motor, daß jede Ständerwicklung für 120° Dauer zyklisch eingeschaltet wird. Bei dieser Steuerungsart steht die Energie aus jedem abzubauenden magnetischen Feld gerade für den Aufbau eines anderen magnetischen Feldes zur Verfügung. Die Zeitdauer des jeder Phase zugeordneten magnetischen Flusses geht jedoch wegen der Wirkung der Entmagnetisierungswicklung über 120° hinaus, so daß sich eine Annäherung an eine Speisung mit 180°-Halbwellen aufweisendem Drehstrom ergibt. Darüber hinaus kann man bei Verwendung von von normalen Thyristoren als steuerbare Halbleiterschaltelemente sehr einfache/Loschschaltungen verwenden, bei denen der jeweils neu gezündete Thyristor das Löschen des zuvor gezündeten bewirkt. Mit Hilfe von anderen Löschschaltungen oder anderen Schaltelementen, wie GTO-Thyristoren oder Transistoren lassen sich aber auch andere Einschaltzeiten erreichen.

Besonders günstig ist es, wenn Ständerwicklung und zugehörige Entmagnetisierungswicklung bifilar gewickelt sind. Hierdurch wird eine sehr enge induktive Kopplung erreicht.

Das Windungsverhältnis von Ständerwicklung und zugehöriger Entmagnetisierungswicklung sollte 1: 1 sein. Hierdurch wird die Spannung an den Halbleiterschaltelementen auf den doppelten Wert der speisenden Gleichspannung begrenzt.

Die Entmagnetisierungswicklung kann aus dünnerem Draht als die Ständerwicklung bestehen. Diese platzsparende Maßnahme ist möglich, weil der Mittelwert des Stromes in der Entmagnetisierungswicklung kleiner ist als der Mittelwert des Betriebsstromes einer Ständerwicklung.

Eine besonders einfache Schaltung ergibt sich, wenn ein Ende der Ständerwicklung und ein Ende der zugehörigen Entmagnetisierungswicklung miteinander verbunden sind und eine gemeinsame Leitung an den Gleichspannungs-Anschluß herausgeführt ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

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Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Drei-Phasen-Motors,

Fig. 2 die Schaltung dieses Motors,

Fig. 3 in einem Diagramm die Steuerimpulse für die Halbleiterschaltelemente,

Fig. 4 in einem Diagramm den Verlauf der Ströme in den drei Ständerwicklungen und

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel der Schaltung nach Fig. 2.

Der Elektromotor der Fig. 1 hat einen Kurzschlußläufer 1. Ein Ständer 2 weist in seinen nicht veranschaulichten Nuten drei gleichartige zweipolige Wicklungsanordnungen 7, Q und 9 auf, die je um 120° gegeneinander versetzt sind und jeweils aus zwei um 180° gegeneinander versetzten Hälften, z. B. 7a und 7b bestehen. Jede Wicklungsanordnung besteht aus einer Ständerwicklung WI-W3 und einer Entmagnetisierungswicklung W4-W6. Jede Ständerwicklung und de zugehörige Entmagnetisierungswicklung sind bifilar, aber gegensinnig gewickelt.

Fig. 2 zeigt, daß jeder Ständerwicklung mit einem Halbleitersehaltelement ES1-ES3 in Reihe liegt. Die Halbleiterschaltelemente haben einen Steuereingang, an welche Steuerimpulse gelegt werden können, um die Halbleiterschaltelemente in den leitenden Zustand zu bringen. Wenn Transistoren verwendet werden, dient die Basis als Steueranschluß. Wenn Thyristoren verwendet werden, dient das gate als Steueranschluß. Sofern keine GTO (gate turn off)-Thyristoren benutzt werden, muß zusätzlich eine Löschschaltung vorgesehen sein, wofür ein Beispiel in Fig. veranschaulicht ist. Die Entmagnetisierungswicklungen W4-W6 liegen mit je einer Freilaufdiode D1-D3 in Reihe. Ferner sind

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zwei Gleichspannungsanschlüsse 10 und 11 mit zugehörigen Speiseleitungen 12 und 13 vorgesehen, von denen die letztgenannte geerdet ist. Alle ersten Reihenschaltungen, bestehend aus einer Ständerwicklung W1-W3 und dem zugehörigen Halbleiters chaltelement ES1-ES3, liegen parallel zueinander an den Speiseleitungen 12, 13. Die zweiten Reihenschaltungen, bestehend aus den Entmagnetisierungswicklungen ¥4-W6 und den zugehörigen Freilaufdioden D1-D3, sind den ersten Reihenschaltungen parallel gelegt.

Fig. 3 zeigt die Steuerimpulse, welche an die Steueranschlüsse der drei Halbleiterschaltelemente ES1-ES3 angelegt werden. Sie haben je eine Dauer von 120° el und treten nacheinander und zyklisch an den drei Halbleiterschaltelementen auf, so daß die drei Ständerwicklungen W1-W3 nacheinander mit Strom versorgt- werden.

Aufgrund dieser Voraussetzungen ergibt sich die nachstehende Betriebsweise. Es sei angenommen, daß die zunächst Strom führende Ständerwicklung ¥1 abgeschaltet und die Ständerwicklung ¥2 eingeschaltet wird. Infolge des Abschaltens der Ständerwicklung ¥1 wird in der Entmagnetisierungswicklung ¥4 eine Spannung erzeugt, die einen Strom überwiegend über die Ständerwicklung ¥2, das zugehörige Halbleiterschaltelement ES2, die Freilaufdiode D1 und die Entmagnetisierungswicklung ¥4 und zum kleinen Teil eventuell auch zurück in die Spannungsquelle treibt. Dies führt dazu, daß sich das den ¥icklungen ¥1 und ¥4 zugeordnete magnetische Feld rasch abbaut. Die dabei frei werdende Energie unterstützt den Aufbau des neuen Magnetfeldes, das die eingeschaltete Ständerwicklung ¥2 erzeugt. Dieses Spiel wiederholt sich jeweils nach 120° el. In den ¥icklungen fließen daher die in Fig. 4 dargestellten ¥icklungsströme, nämlich die Ströme I., I₂ und 1-, in den Ständerwicklungen ¥1-¥3 und die Ströme I, , I₁-, Ig in den Entmagnetisie rungswicklungen ¥4-¥6.

Fig. 5 zeigt die in Fig. 2 veranschaulichten Bauelemente, wo-

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bei die Halbleiterschaltelemente als im Nulldurchgang löschende Thyristoren ausgebildet sind. Zum Zweck der Löschung ist zwischen jeweils zwei Zweige ein Löschkondensator C1, C2 bzw. C3 und eine Umschwingdrossel L1, L2 bzw. Lj5 geschattet. Jeder Thyristor ist durch eine gegensinnig gepolte Diode D4, D5 bzw. D6 überbrückt. Außerdem liegen mit den Ständerwicklungen W1-W3 Sperrdioden D7, D8 bzw_o D9 in Reihe. Wenn der Thyristor ES1 leitend ist, lädt sich der Kondensator C1 entsprechend auf. Wird nun der Thyristor ES2 gezündet, fließt ein Löschstrom über diesen Thyristor und die Diode D4, so daß am Thyristor ES1 ein Nulldurchgang erzwungen wird und dieser sperrt. In ähnlicher ¥eise werden auch die anderen Thyristoren beim Einschalten des jeweils folgenden Thyristors gelöscht. Die Umschwingdrosseln dienen dazu, eine möglichst vollständige Ladung der Kondensatoren ohne zu starkes Nachladen sicherzustellen.

Die zusätzlichen Wicklungen erfordern zwar einen zusätzlichen Aufwand. Dieser wird aber dadurch kompensiert, daß der Motor wegen des erheblich verbesserten Wirkungsgrades bezüglich des übrigen Kupfer- und Eisen-Aufwandes kleiner gehalten werden kann. Der wesentliche Vorteil liegt daher in den betrieblichen Einsparungen, die sich besonders dort bemerkbar machen, wo nur eine begrenzte Gleichstromleistung zur Verfügung steht, z. B.

bei batteriebetriebenen Waschmaschinen, Kältekompressoren oder Gebläsen.

Das beschriebene Prinzip läßt sich auch auf Motoren mit einer anderen Zahl von Polen und/oder Ständerwicklungen sowie mit anders gestalteten Läufern anwenden.

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Claims

Patentansprüche

ι "i.lMit Gleichspannung gespeister Motor mit mindestens zwei
—' abwechselnd mit Strom versorgten Ständerwicklungen, die
je mit einem steuerbaren Halbleiterschaltelement in Reihe liegen, wobei diese ersten Reihenschaltungen parallel
zueinander mit den Gleichspannungs-Anschlüssen verbunden
sindund jeder Ständerwicklung ein Entmagnetisierungszweig mit einer der Durchlaßrichtung des Halbleiterschaltelements entgegengeschalteten Freilaufdiode zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Entmagnetisierungszweige aus
parallel zu den ersten Reihenschaltungen (W1-W3, ES1-ES3) liegenden zweiten Reihenschaltungen bestehen, die je eine Freilaufdiode (D1-D3) und eine Entmagnetisierungswicklung (W4-W6) aufweisen, die induktiv mit der zugehörigen Ständerwicklung (W1-W3) gekoppelt und entgegengesetzt zu dieser
gewickelt ist.
2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor in drei Phasen angeordnete Ständerwicklungen und einen
Kurzschlußläufer aufweist.
3. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Ständernuten drei um je 120° versetzte und je aus zwei um 180° versetzten Hälften bestehende Ständerwicklungen und entsprechende Entmagnetisierungswicklungen angeordnet sind.

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PRIGINAL INSPECTED
4. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschaltelemente (ES1-ES3) so steuerbar sind, daß immer nur eine Ständerwicklung (W1-W3) mit Strom versorgt ist und gleichzeitig mit dem Abschalten der einen das Einschalten der nächsten Ständerwicklung erfolgt.
5_# Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Ständerwicklung (W1-W3) und zugehörige Entmagnetisierungswicklung (W4-W6) bifilar gewickelt sind.
6. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Windungsverhältnis von Ständerwicklung (W1-W3) und zugehöriger Entmagnetisierungswicklung (W4-W6) 1:1 ist.
7. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Entmagnetisierungswicklung (¥4-¥6) aus dünnerem Draht als die Ständerwicklung (W1-W3) besteht.
8. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ende jeder Ständerwicklung (W1-W3) und ein Ende der zugehörigen Entmagnetisierungswicklung (W4-W6) miteinander verbunden sind und eine gemeinsame Leitung an den Gleichspannungs-Anschluß (10) herausgeführt ist.

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