DE2835561C2

DE2835561C2 - Elektronisch kommutierender Motor

Info

Publication number: DE2835561C2
Application number: DE2835561A
Authority: DE
Inventors: Bernardus Henricus Antonius Eindhoven Goddijn
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1977-08-30
Filing date: 1978-08-14
Publication date: 1986-08-21
Also published as: FR2402335A1; JPS5446309A; DE2835561A1; NL7709518A; US4229682A; JPS6248480B2; CA1135788A; SE7809039L; GB2003677B; GB2003677A; FR2402335B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronisch kommutierenden Motor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Wenn Motoren aus einer Gleichspannungsquelle gespeist werden müssen, sind Mittel erforderlich, mit deren Hilfe diese Gleichspannung über den Phasenwicklungen als Funktion der Rotorlage geschaltet wird, um in dem Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor ein Drehfeld zu erzeugen. Bei elektronisch kommutierten Motoren erfolgt dieses Schalten auf elektronischem Wege. Um die Rotorlage zu detektieren, werden oft magnetfeldempfindliche Elemente, wie Hallgeneratoren, verwendet. Es versteht sich, daß diese Anwendung von Sensoren ein Nachteil ist

Aus der US-PS 28 90 400 ist ein einphasiges rotierendes System bekannt, bei dem als Sensor eine Hilfsspule verwendet wird. Die in dieser Spule induzierte Spannung wird einem Verstärker zugeführt, um, sobald sie einen bestimmten Schwellwert überschreitet, einer Erregerspule einen Stromimpuls zuzuführen. Auch bei diesem Motor ist es ein Nachteil, daß eine Hilfsspule erforderlich ist und daß der Motor mit kurzen Stromimpulsen synchron mit der Rotorbewegung angetrieben wird.

Aus der dem Oberbegriff des Anspruches 1 zugrundeligenden US-PS 33 33 172 ist es darüber hinaus bekannt, die in die Phasenwicklungen induzierte Spannung zur Festlegung des Kommutierungszeitpunktes zu benutzen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen elektronisch kommutierenden Motor zu schaffen, der mit einer Mindestanzahl an Einzelteilen ausgeführt werden kann.

Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches

Durch diese Maßnahme ist kein zusätzlicher Detektor erforderlich. Die PhasenwicKiung selber wirkt hier als Rotorlagendetektor. Dadurch, daß die Erregungsspannung für diese Phasenwicklung über eine Brücke zugeführt wird, beeinflussen die Polarität und die Amplitude dieser Erregungsspannung die Detektion nicht.

Wenn ein Motor, bei dem die Induktivität der Phasenwicklung nicht vernachlässigbar ist, verwendet wird, soll von der zweiten und der vierten Impedanz in der Brücke eine eine Induktivität enthalten. Da jedoch die Impedanz der Phasenwicklung oft sehr temperaturempfindlich ist, können sich Probleme ergeben.

Eine Ausführungsform eines elektronisch kommutierenden Motors, wobei der Motor mindestens ein PoI-paar mit asymmetrischen Luftspalten zwischen dem Stator und dem Rotor enthält und wobei jeder Pol dieses Polpaares mit einer Wicklung versehen ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanzen einer der

zwei parallelen Zweige der Brückenschaltung Wicklungen des Motors sind.

Bei einem solchen Motor, der u. a. aus der DE-OS 14 38 569 bekannt ist, sind die in den beiden Wicklungen erzeugten rotations-elektromotorischen Kräfte zwar gleichphasig, aber infolge der asymmetrischen Streufelder einander in bezug auf die Amplitude nicht genau gleich. Dadurch tritt an den Eingängen des !Comparators ein meßbarer Spannungsunterschied auf, wodurch !Commutation möglich wird. Auf diese Weise wird eine zusätzliche 'nduktivität eingespart und es können die beiden verbleibenden Impedanzen in der Brücke durch Widerstände gebildet werden. Mit einem Motor der genannten Art zwei Widerständen und einem Komparator wird also mit einer Mindestanzahl an Einzelteilen ein selbstkommutierender Motor erhalten.

Eine andere vorteilhafte Ausführungsform nach der Erfindung mit einem zweiphasigen Motor ist dadurch geKennzeichnet, daß die Impedanzen der zwei Zweige

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!5 Denn durch Inversion der Erregungsspannung ist diese für Antriebe stets gerade falsch umgepolt, wodurch ein selbstsynchronisierendes Abbremsen herbeigeführt wird.

Vorzugsweise ist diese Inversion dadurch ermöglicht, daß ein Kreuzschalter zwischen der Brückendiagonale und den Eingängen des Komparators vorgesehen ist, mit dessen Hilfe die Verbindungen zwischen der Brükkendiagonale und den Eingängen des Komparators untereinander verwechselt werden, so daß der Motor selbstsynchronisierend abbremst.

Schrittmotoren werden für eine genaue Positionierung schrittweise erregt. Für eine schnelle Verschiebung einer Last kann es erwünscht sein, den Motor kontinuierlich rotieren zu lassen. Dies kann mit Erfolg dadurch erreicht werden, daß auf den Motor die erfindungsgemäßen Maßnahmen angewandt werden. Dabei ist es vorteilhaft, daß Mittel vorgesehen sind, mit deren Hilfe unabhängig von der Spannung zwischen dem

der Brückenschaltung die zu den Phase.; gehörigen 20 zweiten und dem vierten Punkt die Erregungsspannung Wicklungen enthalten. über der Brückenschaltung gesteuert wird.

Da die induzierten elektromotorischen Kräfte bei ei- Auf diese Weise ist die Selbstsynchronisierschaltung

nem Zweiphasenmotor einen gegenseitigen Phasenun- mit einer Schrittsteuerschaltung kombiniert
terschied aufweisen, kann auch hier Kommutation statt- Eine derartige Maßnahme kann dadurch näher gefinden und es werden dieselben Vorteile wie bei dem 25 kennzeichnet werden, daß ein Schalter vorgesehen ist zweitletzt genannten Ausführungsbeispiel erhalten. zur Unterbrechung der Verbindungen zwischen der

Eine weitere Ausführungsform eines elektronisch Brückendiagonale und den Eingängen des Komparators kommutierenden Motors nach der Erfindung ist da- und zum Verbinden dieser Eingänge mit einer Steuerdurch gekennzeichnet, daß der Motor ein Reluktanzmo- schaltung, die die Brückenschaltung unabhängig von der tor ist und daß der genannte Komparator die Brücken- 30 Spannung über der Brückendiagonale steuert
schaltung derart erregt daß im eingeschwungenen Zu- Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der

stand eine Erregungsspannung über der Brücke vorhanden ist, wenn die Spannung über der Brückendiagonale quer zu den parallelen Zweigen eine erste Polarität aufweist, und daß die Brücke im eingeschwungenen Zustand unerregt ist, wenn die Spannung über dieser Brükkendiagonale eine zweite Polarität aufweist

Auf diese Weise sind die Maßnahmen nach der Erfindung auch bei Reluktanzmotoren anwendbar, die ja für die Polarität der
sind.

Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 schematisch einen Einphasenmotor, Fig.2 Maßnahmen nach der Erfindung, auf einen

Motor nach F i g. 1 angewandt,
Fig.3a bis 3f einige Signalformen zur Erläuterung

der F ig. 2,

F i g. 4 schematisch einen Einphasenmotor mit geteil-Erregungsspannung unempfindlich 40 ter Wicklung und asymmetrischen Luftspalten,

Fig.5 die Maßnahmen nach der Erfindung auf den

Im unerregten Zustand wird bei Reluktanzmotoren Motor nach F i g. 4 angewandt,

keine Spannung in den Phasenwicklungen induziert, wo- F i g. 6 schematisch einen Zweiphasenmotor,

durch keine Kommutation stattfinden würde. Eine Maß- Fig. 7 die Maßnahmen nach der Erfindung, auf den

nähme zur Vermeidung dieses Problems ist dadurch ge- 45 Motor nach F i g. 6 angewandt,

kennzeichnet, daß die Brückenschaltung übe*" einen Ab- F i g. 8 ein Diagramm zur Erläuterung der F i g. 7,
leitwiderstand mit einem an Spannung liegenden Punkt
verbunden ist derart, daß die in die Brückenschaltung
aufgenommenen Phasenwicklungen einen Meßstrom

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empfangen, wenn die Brückenschaltung unerregt ist

Da die Induktivität der Phasenwicklung von der Rotorlage abhängig ist, wird vom genannten Meßstrom im unerregten Zustand dennoch eine von der Rotorlage abhängige Spannung induziert, wodurch Kommutation stattfinden kann.

Da die Kommutationszeitpunkte durch die in den Phasenwicklungen induzierten Spannungen bestimmt werden und es wünschenswert sein kann, diese Zeitpunkte zu verschieben, ist es vorteilhaft daß der Komparator eine Zeitverzögerungsschaltung enthält, mit de- ω ren Hilfe das genannte Ausgangssignal verzögert weitergeleitet wird.

Dabei ist es günstig, daß die Zeitverzögerungsschaltung eine regelbare Zeitverzögerung bewirkt.

Weiter ist es vorteilhaft daß Schaltmittel vorgesehen sind, mit deren Hilfe die Polarität der Erregungsspannung der Brückenschaltung invertiert wird, so daß der Motor selbstsynchronisierend abbremst.

Fig.9 eine Ausführungsform der Schaltung nach Fig. 7 im Detail,

Fig. 10 eine Ausführungsform der Schaltung nach F i g. 2 im Detail, und

Fig. 11 eine Maßnahme zur Anwendung in den Schaltungen nach den F i g. 2,5,7.8 und 9.

Fig. 1 zeigt in vereinfachter Form einen Einphasenmotor. Dieser Motor enthält einen dauermagnetischen Rotor 1 mit einer Magnetisierung der angegebenen Art. Der Stator enthält einen Magnetkreis 2. der von einer Spule 3 mit Anschlußklemmen 4 und 5 umgeben ist. Die Lage des Rotors 1 in bezug auf den Stator wird durch einen Winkel φ dargestellt d. h. den Winkel zwischen der radialen Magnetisierungsrichtung des Rolors und der Symmetrieachse 5 des Stators, wie in F i g. 1 gezeigt ist

Die Statorspule 3 ist in einen Erregerkreis aufgenommei., der in Fig.2 dargestellt ist Dieser Kreis enthält eine Brückenschaltung mit zwei Parallelzweigen zwischen Punkten 30 und 32. Der eine Zweig besteht aus der Reihenschaltung der Impedanzen Z\ und Zi und der andere aus der Reihenschaltung einer Impedanz Zi und

der Statorspule 3. Der Verbindungspunkt 31 zwischen den Impedanzen Z\ und Zj ist mit einem invertierenden Eingang 7 eines Komparators K verbunden, dessen nichtinvertierender Eingang 8 mit dem Verbindungspunkt 33 zwischen der Impedanz Z3 und der Statorspule 3 verbunden ist. Die Ausgangsspannung des Komparatcrs K wird über der Brücke z. B, dadurch angelegt, daß ein Ausgang 9 des Komparators K mit dem Verbindungspunkt 30 zwischen den Impedanzen Z₁ und Z3 und der Verbindungspunkt 32 zwischen der Impedanz Z2 und der Statorspule 3 mit dem Erdungspunkt der Schaltung verbunden ist Es ist auch möglich, die Brücke zwischen zwei komplementären Ausgängen eines Komparators anzuordnen. Die Ausgangsspannung des Komparators kann, abhängig von den Spannungen an den Eingingen 7 und S, Werte nahezu gleich + V_s oder — V₃ annehmen, wenn der Komparator mit diesen Spannungen gespeist wird.

Die Spannung über der Statorspule 3 kann in zwei Komponenten Em und Er aufgeteilt werden, wobei Em die Spannung über der Statorspule 3 infolge der Impedanz Z_m dieser Spule bei stillstehendem Rotor 1 und Er die Spannung ist, die lediglich der Rotation des Rotors 1 zuzuschreiben ist. Diese Rotationsspannung Er ist bei einem dauermagnetischen Rotor eine von diesem dauermagnetischen Rotor induzierte Spannung und bei einem Reluktanzrotor die Spannung über der Spule 3, die dadurch erzeugt wird, daß die Induktivität dieser Spule 3 eine Komponente aufweist die von der Rotorlage abhängig ist Auch eine Kombination der beiden Rotationsspannungen kann bei bestimmten Motortypen auftreten.

Wenn die Brücke bei stillstehendem Rotor im Gleichgewicht ist, d. h. wenn gilt daß

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erscheint bei Rotation des Rotors die Rotationsspannung Er zwischen den Eingängen 7 und 8 des Komparators K. Dabei sei bemerkt, daß Z_n, bei einem Reluktanzmotor derjenige Teil der Eigenimpedanz der Statorspule 3 ist der von der Rotorlage φ unabhängig ist

in Fig.3a ist die Rotorlage φ und in Fig.3b die Rotationsspannung Er als Funktion dieses Winkels bei ciiiem sich in der ührzeigerrichtung drehenden Rotor i aufgetragen. Diese Rotationsspannung hat dabei die in F i g. 2 mit dem Pfeil 10 angegebene Richtung. Für eine positive Rotationsspannung Er ist also die Spannung am Eingang 8 des Komparators K positiv gegenüber der Spannung am Eingang 7. Somit ist die Ausgangsspannung V₀ am Ausgang 9 nahezu gleich + V&. Diese Spannung V₀ ist in F i g. 3c dargestellt

Bei dieser positiven Spannung Er, d. h. für φ zwischen 0^c und 180°, ist die Ausgangsspannung V₀ des Komparaiors positiv und hat das Statorfeld die in F i g. 1 mit dem Pfeil II angegebene Richtung. Dadurch wird sich drr Rotor zu der stabilen Lage {p=180° weiterdrehen. Molge der Geschwindigkeit des Rotors wird die Lage φ ■= 180° passiert werden. Bei dieser Lage ändert sich die Polarität der Rotationsspannung Er und somit der Spannung V₀, wodurch die Richtung des Statorfeldes umgekehrt wird und der Rotor zu der nächstfolgenden stabilen Lage p>=360° getrieben wird. Auf diese Weise ist a'so ein selbstkommutierender Gleichstrommotor erhalten.

Der Motor nach Fig. 1, der nach Fig.2 erregt ist kasin sich sowohl in der Uhrzeigerrichtung als auch in der dieser Richtung entgegengesetzten Richtung drehen. In beiden Fällen liefert eine Abweichung von der Lage jp=O° eine positive Rotationsspannung Er und somit eine positive Erregung V₀. Der Motor kann sich grundsätzlich mit jeder Drehzahl drehen und stellt sich in Abhängigkeit von der Belastung und der angelegten Spannung ein.

Fi g. 3d zeigt den Strom I_m durch die Spule 3. Da die Motorimpedanz eine Induktivität enthält ist dies nicht ein rechteckförmiges Signal, wie die Spannung V₀. Nach der Kommutierung (j»=0°, 180°, 360°,...) ändert sich der Motorstrom /exponentiell und die Nulldurchgänge des Motorstroms finden bei relativen Rotorlagen φ statt die über einen Winkel g>o gegen die Rotorlagen φ bei der Kommutierung der Spannung V_n verschoben sind. Der Fehlerwinkel gx> ist der Drehzahl des Motors proportional und wird also vor allem bei hohen Drehzahlen und bei Motoren mit einer verhältnismäßig großen Induktivität eine Rolle spielen. Der Einfluß dieser Induktivität kann dadurch herabgesetzt werden, daß für die Impedanz Z3 ein Widerstand gewählt wird, dessen Wert groß in bezug auf die durch die Induktivität der Statorspule 3 gebildete Impedanz bei der gewünschten maximalen Drehzahl des Rotors ist, was jedoch mit einem verhältnismäßig großen Spannungsverlust einhergeht was durch Anwendung von Stromsteuerung vermieden werden kann.

Der Einfluß des Fehlerwinkels g%> kann an Hand der F i g. 3e erläutert werden. Diese Figur zeigt schematisch das Drehmoment das auf den Rotor 1 ausgeübt wird, als Funktion der Rotorlage φ. Für φ^<φ< 180° ist der Motorstrom / und das Drehmoment positiv und für 0° <φ<φο ist der Motorstrom k und das Drehmoment negativ. Für 180° <iP<350° ist diese Beziehung gerade umgekehrt Dies hat zur Folge, daß für

η χ 180°<{P</2X 180°
mit/7 = 0,1,2,3,..,

das Drehmoment negativ ist so daß das mittlere Drehmoment pro Umdrehung bei einer bestimmten Drehzahl infolge des Fehlerwinkels gsa niedriger als das höchstmögliche Drehmoment (iz?o=O) bei dieser Drehzahl ist

Fig.2 zeigt eine Maßnahme, durch die auf elektrischem Wege der Fehlerwinkel jeo verkleinert wird. Dazu wird ein Kondensator Czu der Impedanz Z2 parallelgeschaltet Außerdem wird in der Brückenschaltung ein Ungleichgewicht V* angebracht derart, daß bei einer positiven Brückenspannung V₀ und stillstehendem Rotor die Spannung zwischen dem Eingang 7 und dem Eingang 8 des Komparators K gleich + Vd ist Wenn die Spannung V₀ für φ< ψ\ (F i g. 3g) gleich — V_B ist ist das Ungleichgewicht Vr der Brücke gleich — V₀-. Die Ausgangsspannung des Komparators K schaltet dann zu + Vb, wenn die Rotationsspannung Er gleich — Va ist (F i g. 3f und 3g). Ohne Kondensator C würde dann das Ungleichgewicht Vk gleich + Va werden und würde der Komparator K. die Brückenspannung V₀ wieder zu — Vb und dann wieder zu + Va schalten. Die Brücke wird dann in Schwingung versetzt Dadurch, daß der Kondensator C negativ aufgeladen ist wird das Ungleichgewicht Vfc beim Umschalten bei φ=gh stark negativ und lädt sich dann exponentiell auf, bis das Ungleichgewicht V_K gleich + Vaist Dadurch bleibt nach dem Umschalten bei φ=ψ\ die Ausgangsspannung V₀ des Komparators K positiv. Ähnliches, aber in entgegengesetztem Sinne, ergibt sich bei g>=i80" + ^₁. Durch diese Maßnahme können also die Rotorwinkellagen, bei denen Kommu-

tation stattfindet, über einen Winkel ψ\ in negativer Richtung verschoben werden, um den Fehlerwinkel φο auszugleichen.

Die Zeitverzögerung zwischen den Nulldurchgängen des Motorstroms I_n, und der Spannung V₀ ist nicht die einzige Ursache des Fehlerwinkels g^. Die Rotationsspannung En (F i g. 3b) wird über einen aus der Statorspule 3 und der Impedanz Zj bestehenden Spannungsteiler an den Komparatoreingang 8 angelegt. Infolge der Induktivität in diesem Spannungsteiler tritt auch hier eine Zeitverzögerung auf, die nahezu gleich dem Fehlerwinkel φο ist. Dieser Beitrag zu dem Fehlerwinkel läßt sich dadurch vermeiden, daß für die Impedanz Z3 eine Impedanz gewählt wird, deren Zeitkonstante gleich der der Statorspule 3 ist.

Die an Hand der F i g. 1 und 2 beschriebene Motorsteuerung kann auch dadurch erfolgen, daß die Motorspule 3 und die Impedanz Z\ untereinander vertauscht werden. Statt eines !Comparators K kann ein Operationsverstärker mit ungenügend großem Verstärkungsfaktor gewählt werden.

Wenn ein Zweiphasenmotor auf die erfindungsgemäße Weise erregt werden soll, können die zu diesen Phasen gehörigen Spulen ia Reihe oder parallel an der Stelle der Statorspule 3 in der Schaltung nach F i g. 2 angeordnet werden. Infolge dieser Reihen- oder Parallelanordnung verhält sich dieser Zweiphasenmotor dann wie ein Einphasenmotor und Hefen ein pulsierendes Drehmoment Es ist auch möglich, bei Mehrphasenmotoren jede gesonderte Phasenwicklung mit einer Schaltung der in F i g. 2 dargestellten Art zu erregen. Der Motor verhält sich dann wie eine Anzahl einphasiger .Motoren mit einer gemeinsamen Welle. Das Drehmoment als Funktion der Rotorlage φ ist dabei gleichmäßiger als bei einem Einphasenmotor. Bei einem Zweiphasenmotor ist das Drehmoment als Funktion der Rotorlage jpdann die Summe zweiter über 90° gegeneinander verschobener Drehmomentkurven nach F i g. 3e.

Bei Einphasenreluktanzmotoren ergibt sich das Problem, daß kein Unterschied zwischen positiven und negativen Strömen besteht. Bei einer Rotationsspannung nach F i g. 3b müßte dann die Ausgangsspannung des !Comparators K gleich + V_B für 0° < φ< 180° und gleich 0 V für 180°<£»<360° sein. Dies kann u.a. dadurch erreicht werden, daß der Punkt 4 (F i g. 2) mit — Vb statt mit Masse verbunden oder daß der Komparator K mit 0 Vund -τ- Vij gespeist wird.

Da für 18O°<07<36O° die Statorspule unerregt ist, würde keine Rotationsspannung erzeugt werden, denn der Rotor eines Reluktanzmotors induziert keine Spannung in der Statorspule. Dadurch würde der Komparator K die Brücke bei φ=360° nicht erregen. Daher soll ein Meßstrom der Statorspule 3 zugeführt werden, was dadurch erfolgen kann, daß der positive Speisungsanschluß + Ve über einen Widerstand R mit der Brücke verbunden wird, wie gestrichelt in F i g. 2 dargestellt ist.

Für die Impedanzen Zi und Z3 können Widerstände gewählt werden. Die Impedanz Z2 soll dann eine Induktivität enthalten. Dies kann in der Praxis zu Problemen führen, weil die Impedanz der Statorspule 3 stark variieren kann, da die Temperatur des Motors stark ansteigen kann.

F i g. 4 zeigt einen einphasigen Synchronmotor mit in zv/ei Teile aufgeteilter Wicklung und asymmetrischen Luftspalten zwischen dem Stator und dem Rotor. Ringsum das Statoreisen 2, das in der Nähe des Rotors 1 in zwei Polen endet, die asymmetrische Luftspalte mit diesem Rotor bilden, sind zwei nahezu gleiche Wicklungen 3 und 3' angebracht Infolge dieser asymmetrischen Luftspalte nimmt der Rotor bei unerregten Statorspulen 3 und 3' diejenige Lage ein, bei der über das Statoreisen 2 der maximale Fluß des dauermagnetischen Rotors t rückgekoppelt wird. Diese Lage bildet einen Winkel φν mit der Lage, die der Rotor bei erregtem Stator einnimmt (Rotormagnetisierung in Richtung der Achse 6). Infolge dieser Asymmetrie läuft der Motor stets von selbst bei Erregung der Spulen 3 und 3' an.

Da die Nulldurchgänge der in den Spulen 3 und 3' erzeugten rotations-elekiromotorischen Kräfte auftreten, wenn der rückgekoppelte Rotorfluß maximal und minimal ist, treten die Nulldurchgänge auf, wenn die Rotorlage gleich φ\ und g-\ + 180° ist.

Der Fluß des dauermagnetischen Rotors 1 fließt hauptsächlich über das Statoreisen 2 und erzeugt nahezu gleiche Rotationsspannungen in den Spulen 3 und 3'. Ein Teil des Rotorflusses fließt jedoch über die Spulen 3 und 3' überbrückende Wege ab und trägt nicht zu den in den Spulen 3 und 3' induzierten rotations-elektromotorischen Kräften bei. Dieser Streufluß ist infolge der asymmetrischen Luftspalte zu der Linie 12 nicht symmetrisch, wodurch ein meßbarer Amplitudenunterschied zwischen den in den Spulen 3 und 3' erzeugten Rotationsspannungen besteht.

Der Motor nach Fi g. 4 kann mit der Schaltung nach F i g. 5 erregt werden. Diese Schaltung ist grundsätzlich gleich der Schaltung nach Fig.2. wobei die Impedanz Zz durch die Spule 3' des Motors gebildet wird. Die beiden Motorteilspulen sind mit gleichem Wickelsinn aufgenommen, so daß Änderungen der Spannung am Eingang 8 des Komparator K durch den genannten Unterschied rotationselektromotorischer Kräfte bestimmt werden.

Wenn die Brücke nahezu im Gleichgewicht ist, erscheint der Unterschied zwischen den in den beiden Teilspulen 3 und 3' erzeugten Rotationssapnnungen zwischen den Eingängen 7 und 8 des Komparators K. Da dieser Unterschied ungleich Null ist, kann der Motor, gleich wie der Motor nach Fi g. 1, selbstkommutierend rotieren, wobei die Kommutierung — wenigstens bei niedrigen Drehzahlen — bei dem genannten Winkel φν stattfindet, bei dem die Nulldurchgänge beider Rotationsspannungen und somit des Unterschiedes zwischen diesen Spannungen auftreten.

Die vorgenannten Temperaturkoeffizienten der Motorspulenimpedanzen über hier keinen Einfluß aus, weil sich die Temperaturkoeffizienten beider Motorspulen 3, 3' in der Brücke nach F i g. 5 ausgleichen. Für die Impedanzen Zi und Zi können Widerstände gewählt werden. Ein zusätzlicher, aber wichtiger Vorteil ist der, daß durch die Erregung gemäß der Erfindung der Einphasenmotor nach Fig.4 eine Vorzugsrichtung aufweist Dies läßt sich wie folgt erkennen. Nimmt der Rotor eine Anfangslage nach Fig.4 ein {φ—φν) und ist der Anfangserregungszustand der Brücke derart, daß der Statorteil 21 einen Nordpol und der Statorteil 22 einen " Südpol bildet, so wird der Rotor t in der Uhrzeigerrichtung angetrieben. Der Rotor wird infolge der aufgebauten kinetischen Energie den Winkel $p=180° passieren und sich über den Winkel φ= 180° + φνhinweg drehen, wo Kommutation stattfindet Unter diesen Anfangsbedingungen wird dann der Rotor in der Uhrzeigerrichtung anlaufen.

Nimmt der Rotor eine Anfangslage bei φ= φν+ 180° ein und ist der Anfangserregungszustand der Brücke derart, daß der Statoneil 21 einen Nordpol und der Statorteil 22 einen Südpol bildet oder sind die beiden

Anfangsbedingungen gerade umgekehrt, so wird der Rotor zu einer stabilen Lage {p=180° bzw. φ=0° in einer der Uhrzeigerrichtung entgegengesetzten Richtung gezogen werden. Da beim Schwingen durch diese Lage φ=\&0° bzw. ^=0° der Winkel φ=φ_ν+180° bzv/. φ=φν nicht erreicht wird, findet keine !Commutation statt und wird der Rotor nicht anlaufen.

Auf obenbeschriebene Weise kann der Motor nach F i g. 4, wenn er nach F i g. 5 erregt ist, nur in einer Richtung anlaufen. Um den Motor in allen Fällen in dieser Richtung anlaufen zu lassen, sind viele verfahren denkbar, von denen zwei nachstehend beispielsweise be-ß schrieben werden.

Wie bei der Beschreibung der Funktion des Kondensators Cin der Schaltung nach Fig.2 bemerkt wurde, kann mit Hilfe eines Ungleichgewichts die Brücke in einen unstabilen Zustand gebracht werden, wodurch die Spannung über der Brücke zu schwingen beginnt Unter den richtigen Anfangsbedingungen wird der Rotor in der richtigen Richtung anlaufen und wird eine Rotationsdifferenzspannung erzeugt werden. Wenn das Ungleichgewicht genügend klein gewählt ist, wird bald diese Rotationsdifferenzspannung in bezug auf dieses Ungleichgewicht vorherrschend sein und wird der Motor selbstkommutierend nach wie vor in der gewünschten Richtung anlaufen. Wenn die Anfangsbedingungen gerade umgekehrt sind, wird infolge der Brückenschwingungen der Rotor mit zunehmender Amplitude um die stabile Lage herum schwingen. Eine Schwingung in der falschen Richtung hat keine Folgen und eine Schwingung in der gewünschten Richtung wird bald genügend groß sein, um die gewünschte Kommutierung bei φ= φν (oder φ=φν+\80^α) stattfinden zu lassen, wonach der Motor in der gewünschten Richtung selbstkommutierend weiterlaufen wird.

Eine zweite Möglichkeit ist, für die richtigen Anfangsbedingungen zu sorgen. Wenn z. B. der Anfangszustand der Brücke stets derart ist, daß der Statorteil 21 einen Nordpol und der Statorteil 22 einen Südpo! bildet, kann dadurch, daß der Brücke ein Spannungsimpuls aufgeprägt wird, dessen Polarität der der Spannung über der Brücke entgegengesetzt ist und der dem Anfangszustand entspricht und eine genügende Dauer aufweist, dafür gesorgt werden, daß der Rotor die Lage nach F i g. 4 einnimmt. Bildet der Statorteil 21 einen Nordpol und der Teil 22 einen Südpol, wenn die Spannung am Ausgang 9 des Komparators positiv ist, so kann z. B. über einen (elektronischen) Schalter eine negative Spannung an die Brücke angelegt werden. Wenn der Rotor eine Lage φ= 180° + φνeinnehmen würde, richtet er sich in bezug au^f diese negative Spannung auf die dargestellte Lage {φ= φν)- Wenn dann die Brückenspannung wenigstens kurzzeitig positiv gemacht wird, wird der Rotor anlaufen und nach wie vor selbstkommutierend weiterlaufen. Auch mit Hilfe eines Dauermagnets ist es möglich, den Rotor stets in der Lage φ—φν stillstehen zu lassen.

Der Motor nach F i g. 2, wenn er nach F i g. 5 erregt ist, liefert einen sehr preiswerten und zuverlässigen selbstkommutierenden Motor. Nur zwei Widerstände und ein Operationsverstärker sind genügend, um den Synchronmotor nach Fig.4 in einen selbstkommutierenden Gleichstrommotor umzuwandeln, ohne daß Sensoren u. dgl. erforderlich sind.

Fig.6 zeigt schematisch einen Zweiphasenmotor. Dieser Motor enthält einen ersten Statorteil mit einer Spule 2 und einem Rotor 1, der völlig dem Motor nach F i g. 1 entspricht, wobei die Definition des Winkels φ und des Wickelsinns dieselbe ist. Ein zweiter Statorteil 15 mit der Spule 3' ist über einen Winkel $ρ=90° gegen den ersten Pol 2 verschoben. Die Spule 3' enthält Anschlußklemmen 13 und f 4.

F i g. 7 zeigt eine Erregungsschaltung für einen Motor nach Fig.6. Diese Erregungsschaltung entspricht der nach Fig.2, mit der Maßgabe, daß die Impedanz Z₃ durch die Spule 3' ersetzt ist wobei die Anschlußklemmen 13 und 14 mit dem nichtinvertierenden Eingang 8

ίο des Komparators K bzw. mit dem Ausgang 9 des Komparators K verbunden sind. Der Wickelsinn ist dabei derart daß, wenn durch die Spule 3' ein Strom in einer in F i g. 7 mit 17 angegebenen Richtung fließt, das erzeugte Feld eine Nord-Süd-Richtung hat die in F i g. 6 mit 16

■5 angegeben ist

Die Wirkung der Schaltung nach F i g. 7 wird an Hand der F i g. 8 näher erläutert Diese Figur zeigt ein Winkeldiagramm, in dem die Rotorlage φ aufgetragen ist Es sind die Lagen φ=0" und $?=90° angegeben, die zugleich die Richtung der Felder der Statorpole mit Spulen 3 bzw. 3' angeben. Weiter sind die Richtungen {p=45°, 135°, 180°,225°,270° und315° dargestellt

Da die Spulen 3 und 3' in diesem Beispiel denselben Wickelsinn aufweisen und in Reihenanordnung von demselben Strom durchflossen werden, verhält sich der Motor in bezug auf seine Erregung wie ein Einphasenmotor mit einem Statorpol mit Spule bei ^=45°. Die idealen Kommutationswinkel sind dann φ= 45° und {P=225°. Da die erzeugten Rotationsspannungen als Funktion der Rotorlage φ einen gegenseitigen Unterschied von 90° aufweisen und die Schaltung nach F i g. 7 kommutiert, wenn beide Rotationsspannungen einander gleich sind, findet, abgesehen von Zeitverzögerungen und Ungleichgewicht die Kommutierung bei φ—\Ζ5° und 0?=315° statt Wenn die Schaltung bei diesen Winkeln φ= 135° und jzj=315° kommutiert, kann der Motor kein Drehmoment liefern. In der Praxis treten aber Zeit-

. Verzögerungen auf, z. B. weil es infolge von Selbstinduk-• tion einige Zeit erfordert bevor der Strom in den Spulen 3 und 3' umgepolt ist Diese Zeitverzögerungen führen zu einer Verschiebung φ$ des Kornrnutierungswinkels und diese Verschiebung φα ist frequenzabhängig. Für einen sich in der Uhrzeigerrichtung drehenden Rotor verschiebt sich dadurch der Kommutierungswinkel zu der in Fig.8 angegebenen Linie 18, somit in Richtung des idealen Kommutierungswinkels, wodurch der Rotor, der sich in dieser Richtung dreht ein mittleres positives Drehmoment liefern wird, während für einen sich in der der Uhrzeigerrichtung entgegengesetzten

so Richtung drehenden Rotor sich dieser Kommutierungswinkel zu der Linie 19, somit in entgegengesetzter Richtung verschiebt wodurch der Rotor, der sich in dieser Richtung dreht ein mittleres negatives Drehmoment liefern wird. Der Motor, wenn er nach F i g. 7 erregt ist, kann sich also nur in der Uhrzeigerrichtung drehen. Um diesen Motor stets in dieser Richtung anlaufen zu lassen, können gleiche Maßnahmen wie bei der Schaltung nach F i g. 5 angewandt werden. Die Umkehr des Wickelsinnes einer der beiden Spulen 3 und 3' hat eine Umkehr der Drehrichtung zur Folge.

Die Kommutierungswinkel können auch auf elektronischem Wege beeinflußt werden, z. B, derart daß bei dem Motor nach Fig.6 mit einer Erregungsschaltung nach F i g. 7 das Anlaufen erleichtert oder daß die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie beeinflußt wird. Dies ist bei allen anderen möglichen Schaltungen nach der Erfindung auch möglich. Dazu kann z. 8. das Ausgangssignal des Komparators K verzögert an die Brücke wei-

tergeleitet werden, ζ. B. dadurch, daß eine Zeitverzögerungsschaltung 20 (Fig.7) in den Ausgangskreis des Korr.parators K aufgenommen wird. Eine solche Verzögerungsschaltung kann auf verschiedene Weise, gegebenenfalls einstellbar, ausgeführt werden.

F i g. 9 zeigt eine Erregungsschaltung nach F i g. 7 im Detail. Die Impedanz Zi ist einstellbar ausgeführt und der Komparator besteht aus einem Operationsverstärker OA, dessen Ausgang einen Klasse B-Verstärker mit Transistoren Γι und T2 und Einstellwiderständen Rt, R2 und A3, Ra steuert Der Ausgang des Klasse B-Verstärkers bildet den Ausgang 9 des Komparators. Infolge der hohen Verstärkung des Operationsverstärkers OA wirkt diese Kombination eines Operationsverstärkers und eines Klasse B-Verstärkers als Komparator und die Ausgangsspannung wird am Ausgang 9 von + Vb zu — Vb geschaltet und umgekehrt, wenn die Signalspannung zwischen den Eingängen 7 und 8 eine genügend große Amplitude aufweist

F i g. 10 zeigt eine Erregungsschaltung nach F i g. 2 im Detail. Die Schaltung enthält eine Brücke mit Motorspule 3 entsprechend Fig.2. Der Verbindungspunkt zwischen den Impedanzen Zi und Z2 ist mit einer Speiseleitung 23 und der Verbindungspunkt zwischen der •Impedanz Z2 und der Motorspule 3 ist über einen Schalttransistor T3 mit einer Speiseleitung 24 verbunden. Die Spannung zwischen den Speiseleitungen 23 und 24 wird über einen Brückengleichrichter D 1 und einen Glättungskondensator C2 dem Wechselstromnetz V_3C entnommen, wobei die Speiseleitung 23 gegenüber der Speiseleitung 24 positiv ist. Zwischen diesen Speiseleitungen 23 und 24 ist ein Spannungsteiler A₅, Re mit Glättungskondensator Ci für die Niederspannungsspeisung eines Operationsverstärkers OA angeordnet, dessen Ausgang über den Widerstand Rw mit der Basis des Schalttransistors Ti verbunden ist. Der Punkt zwischen den Impedanzen Zi und Z^ ist über einen Spannungsteiler /?7, R\o mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OA und der Punkt zwischen der Impedanz Zi und der Motorspule 3 ist über einen Spannungsteiler Ra, Rg mit dem nichtinvertierenden Eingang verbunden. Der Operationsverstärker OA mit dem Schalttransistor Ty bildet so den Komparator K.

Wenn die Spannung am Punkt 8 genügend positiv gegenüber der Spannung am Punkt 7 ist, steuert die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers OA den Transistor Ti in Sättigung und steht die Spannung zwischen den Speiseleitungen 23 und 24 über der Brücke. Wenn die Spannung am Punkt 8 negativ gegenüber der Spannung am Punkt 7 ist, wird der Transistor Ti nichtleitend sein und die Brücke ist von der Speiseleitung 24 entkoppelt. Diese Erregungsweise wurde bei der Beschreibung der F i g. 1,2 und 3 als für Reluktanzmotoren geeignet angegeben. In diesem Beispiel nach Fig. 10 wird diese Kommutierungsweise bei einem Dauermagnetmotor verwende*. Symmetrische Kommutierung, z. B. zwischen + V₈ und — V& führt zwar zu einem besseren Motorlauf, aber erfordert eine symmetrische und dadurch komplexe Speisung. Für Anwendungen in z. B. Haushaltsgeräten, wie Staubsaugern, ist ein regelmäßiger Lauf des Motors nicht die Hauptanforderung und ist die einfache Speisung mit einer einzigen Gleichrichterbrücke und einem Kondensator viel wichtiger.

Die Induktivität Z₃ kann durch eine Spule, aber auch durch einen Gyrator gebildet werden, z. B. den Gyrator vom Typ Philips TCA 580, der mit einem Kondensator abgeschlossen werden muß.
Die Erregungsschaltung nach der Erfindung eignet sich besonders gut zur Anwendung bei Schrittmotoren. Schrittmotoren werden schrittweise angetrieben, um genau eine bestimmte Verschiebung eines angetriebenen Gegenstandes zu bewirken, oder werden kontinuierlich angetrieben, um mit hoher Geschwindigkeit eine große Veischiebung dieses Gegenstandes zu bewirken. Für den kontinuierlichen Antrieb kann mit Erfolg die selbstsynchronisierende Erregungsschaltung nach der Erfindung verwendet werden. Für jede Phase eines solchen Schrittmotors kann dann eine Erregungsschaltung, z. B. nach Fi g. 1, verwendet werden. Für schrittweisen Antrieb ist es nur erforderlich, den Eingängen des Komparators Impulse zuzuführen, die in bezug auf die Rotationsspannung an diesen Eingängen vorherrschend sind, oder über Schalter diese Eingänge mit einem Impulsgeber statt mit der Brücke zu verbinden. Die letztere Möglichkeit ist in F i g. 11 dargestellt.

F i g. 11 zeigt eine Schaltung zum Ersatz der in den F i g. 2,4,7,9 und 10 dargestellten direkten Verbindung zwischen den Punkten 31 und 7 und den Punkten 32 und 8. Diese Schaltung enthält einen Doppelschalter S mit drei Lagen Si, Si und 63. In der Lage S\ verbindet der Schalter S die Punkte 7 und 8 mit einer Schaltung 25 für schrittweise Steuerurg. Diese Brücke ist dann von dem Komparator entkoppelt, der von der Schaltung 25 gesteuert wird, um die Spannung über der Brücke zu schalten. In der Lage S2 ergibt sich die in den F i g. 2,5,7, 8 und 9 dargestellte Situation und der Motor kann selbstsynchronisierend laufen. In der Lage S3 wird der Punkt 31 mit dem Punkt 8 und der Punkt 33 mit dem Punkt 7 verbunden. In dieser Lage wird die Spannung über der Brücke für Antrieb stets die falsche Polarität aufweisen. Der Motor wird dann selbstsynchronisierend abgebremst.

Für die Erregung von Schrittmotoren gibt es Schaltungen, bei denen Impulse an den Eingang geliefert werden sollen, um den Motor laufen zu lassen. Eine solche Schaltung kann mit Vorteil in Verbindung mit der Schaltung nach der Erfindung dadurch angewendet werden, daß diese zwischen dem Komparator K und der Brücke angeordnet wird.

Die Erregungsschaltungen nach der Erfindung können stets sowohl bei Dauermagnetmotoren als auch bei Reluktanzmotoren Anwendung finden, wobei bei Reluktanzmotoren die Spulen stets erregt und unerregt sein sollen, weil diese Motoren für die Richtung des Motorstroms unempfindlich sind. Dauermagnetmotoren können gegebenenfalls auch auf diese Weise erregt werden.

Weiter ist es stets möglich, in der Brückenschaltung Elemente kreuzweise untereinander zu vertauschen. Bei den Ausführungsbeispielen nach den F i g. 5 und 7 können z. B. die Spule 3' und die Impedanz Z2 untereinander vertauscht werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektronisch kommutierender Motor, der zur Bestimmung des Kommutierungszeitpunktes den zeitlichen Verlauf der in einer Phasenwicklung des Stators durch die Rotordrehung induzierte Spannung benutzt, gekennzeichnet durch eine Brückenschaltung aus zwei parallelen Zweigen (Knotenpunkte 30, .31, 32 bzw. 30, 33, 32), wobei jeder parallele Zweig aus zwei in Reihe geschaltenen Impedanzen (Zi, Zi bzw. 3, Zi) besteht, wobei die Brückendiagonale quer zu den parallelen Zweigen (Knotenpunkte 31,33) mit den Eingängen (7,8) eines Komparator (K) verbunden ist, dessen Ausgang (9) mit dem Knotenpunkt (30) der Brückenschaltung verbunden ist und wobei eine der Impedanzen der Brückenschaltung eine Wicklung (3) des Motors enthält

2. Elektronisch kommutierender Motor nach Anspruch 1, wobei der Motor mindestens ein Polpaar ((2Θ-, 21) mit asymmetrischen Luftspalten zwischen

dem Stator (2) und dem Rotor (1) enthält und wobei jeder Pol dieses Polpaares mit einer Wicklung (3,3') versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanzen einer der zwei parallelen Zweige der Brükkenschaltung Wicklungen (3,3') des Motors enthalten.

3. Elektronisch kommutierender Motor nach Anspruch 1, wobei der Motor zweiphasig ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanzen der zwei Zweige der Brückenschaltung die zu den Phasen gehörigen Wicklungen (3,3') enthalten.

4. Elektronisch komrfiutierender Motor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor ein Reluktanzmotor ist und daß der genannte Komparator (K) die Brückenschaltung derart erregt, daß im eingeschwungenen Zustand eine Erregerspannung über der Brücke vorhanden ist, wenn die Spannung über der Brückendiagonale quer zu den parallelen Zweigen eine erste Polarität aufweist, und daß die Brücke im eingeschwungenen Zustand unerregt ist, wenn die Spannung über dieser Brückendiagonale eine zweite Polarität aufweist.

5. Elektronisch kommutierender Motor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenschaltung über einen Ableitwiderstand mit einem an Spannung liegenden Punkt verbunden ist derart, daß die in die Brückenschaltung aufgenommenen Wicklungen (3,3') einen Meßstrom empfangen, wenn die Brückenschaltung unerregt ist.

6. Elektronisch kommutierender Motor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (K) eine Zeitverzögerungsschaltung (20) enthält, mit deren Hilfe das genannte Ausgangssignal (Ausgang 9) verzögert weitergeleitet wird.

7. Elektronisch kommutierender Motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitverzögerungsschaltung (20) eine regelbare Zeitverzögerung bewirkt.

8. Elektronisch kommutierender Motor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kreuzschalter (S) zwischen der Brückendiagonale und den Eingängen (7, 8) des Komparator (K) vorgesehen ist, mit dessen Hilfe die Verbindungen zwischen der Brückendiagonale und den Eingängen (7, 8) des Komparators (K) untereinander verwechselt werden, so daß der MotGr selbstsynchronisierend abbremst.

9. Elektronisch kommutierender Motor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schalter (S) vorgesehen ist zur Unterbrechung der Verbindungen zwischen der Brükkendiagonale und den Eingängen (7, 8) des Komparators (K) und zum Verbinden dieser Eingänge (7,8) mit einer Steuerschaltung (25), die die Brückenschaltung unabhängig von der Spannung über der Brükkendiagonale steuert