DE2940637A1

DE2940637A1 - Gleichstrommotor mit elektronischer kommutierungsschaltung

Info

Publication number: DE2940637A1
Application number: DE19792940637
Authority: DE
Inventors: Ing.(grad.) Günter 5102 Würselen Döring; Dipl.-Ing. Dr. Wolfgang 5100 Aachen Radziwill; Ing.(grad.) Hans Schaesberg Steinbusch
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1979-10-06
Filing date: 1979-10-06
Publication date: 1981-04-16
Also published as: US4628231A; CA1176699A; GB2061038A; FR2467503A1; FR2467503B1; JPS5658771A; GB2061038B

Description

PHILIPS PATENTVERWALTUNG GMBH PHD 79-114

Gleichstrommotor mit elektronischer Kommutierungsschaltung

Die Erfindung betrifft einen Gleichstrommotor mit einem permanentmagnetischen Läufer und elektronischer, von dem Magnetfeld des Läufers gesteuerter Kommutierungsschaltung.

Solche Gleichstrommotoren sind bereits bekannt (siehe z.B. Philips Technische Rundschau 31, (1970/71) 11/12, 383).

Bei diesen Motoren wird über Hall-Elemente die jeweilige Läuferposition detektiert und zum Steuern der aus diskreten Bauelementen aufgebauten Kommutierungsschaltung benutzt .

Bei einem solchen Gleichstrommotor ist aber die Kommutierungsschaltung relativ aufwendig, da viele Bauelemente erforderlich sind. Weiter ist die Konstruktion des Motors kompliziert, da z.B. die Hall-Elemente im Inneren der Ständerwicklung angeordnet sind und nach dem Wickeln nicht mehr ausgewechselt oder justiert werden können. Weiter bewirken die verwendeten Kommutierungsschaltungen keine echte Kommutierung im Sinne einer Stromrichtungsumkehr in jeder Ständerspule, sondern nur ein periodisches Ein- und Ausschalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gleichstrommotor der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß er und die verwendete Kommutierungsschaltung wesentlich einfacher aufgebaut sind und die Wicklungen des Motors gut ausgenutzt worden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die im Ständer untergebrachte Ankerwicklung aus m in

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.2" PHD 79-H^

m-Eck oder in Stern geschalteten Strängen besteht, daß ein Ende jedes Stranges mit der Ausgangsklemme eines als integrierte Halbleiterschaltung ausgebildeten, magnetisch steuerbaren Schalters verbunden ist, daß zwisehen einer ersten und der zweiten Eingangsklemme jedes Schalters die Speisestromquelle angeschlossen ist, daß zwischen der ersten Eingangsklemme und der Ausgangsklemme jedes Schalters eine erste Schaltstrecke und zwischen der zweiten Eingangsklemme und der Ausgangsklemme eine zweite Schaltstrecke angeordnet ist, daß die ersten und die zweiten Schaltstrecken so steuerbar sind, daß, wenn ein Schalter einem Magnetfeld B ausgesetzt ist, seine erste Schaltstrecke geschlossen ist,

A R
wenn B>B„ +— ist, seine zweite Schaltstrecke ge-

/IB
schlossen ist, wenn BiB-- ist, und daß seine

beiden Schaltstrecken offen sind, wenn |B-B^]< — χ £

^ΔΒ =>£> I öl 2

ist, wobei 0 4. € <L 1 und-ifisSCtr ist, und daß die einzelnen Schalter derart symmetrisch am Ständer des Motors angeordnet sind, daß sie durch das Magnetfeld des Läufers in zyklischer Folge gesteuert werden.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, daß außer einem magnetisch steuerbaren Schalter der genannten Art pro Phase keine weiteren elektronischen Bauteile erforderlich sind, daß der Motor nur aus wenigen einfachen, für eine weitgehend automatisierte Fertigung geeigneten Teilen besteht, die sich sehr einfach montieren lassen, daß die Ankerwicklungen gut ausgenutzt sind, da dank der verwendeten Schalter Ströme in beiden Richtungen ermöglicht werden, und daß durch die Anordnung der Schalter eine weitgehende Entkopplung zwischen den Hall-Elementen in den Schaltern und dem Ankerfeld

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gewährleistet ist, so daß die Schalter durch das Magnetfeld des Läufers gesteuert werden können.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 das Schaltbild eines Gleichstrommotors mit einer fünfpoligen Ständerwicklung und einer aus fünf magnetisch gesteuerten Schaltern

bestehenden Kommutierungsschaltung,

Fig. 2a+b in schematischer Darstellung zwei Ansichten eines Gleichstrommotors mit drei Ständerwicklungen und drei magnetisch gesteuerten Schaltern,

Fig. 3 einen Spulenkörper für die Ständerwicklungen

des Motors nach Fig. 2, der auch die magnetisch gesteuerten Schalter trägt,

Fig. 'ia + b zwei Ausführungsbeispiele für eine mit einem Spulenkörper nach Fig. 3 verbindbare, drei

magnetisch gesteuerte Schalter tragende Printplatte,

Fig. 5 eine Variante der Verbindung zwischen einem Spulenkörper und einer Printplatte für einen Motor nach Fig. 2,

Fig. 6 in schematischer Darstellung zwei Ansichten eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Gleichstrommotors.

Fig. 1 zeigt das Schaltbild eines Gleichstrommotors mit fünf im Ständer untergebrachten Ankersträngen 11a bis He, die zu einem Fünfeck verbunden sind. Gesteuert werden diese Wicklungen durch eine Fünf-Phasen-Brückenschaltung, die aus fünf von dem Magnetfeld des permanentmagnetischen Läufers steuerbaren Schaltern 10, 20, 30, kO und 50 gebildet wird.

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Die einzelnen Schalter sind symmetrisch derart am Ständer angeordnet, daß sie sich nahe genug am permanentmagnetischen Läufer befinden, um durch dessen Magnetfeld in zyklischer Folge gesteuert zu werden. Jeder dieser

g Schalter ist zwischen einer ersten Eingangsklemme 1 und einer zweiten Eingangsklemme k mit einer Speisestromquelle 12 verbunden, und jeder Schalter weist zwischen der ersten Eingangsklemme 1 und einer Ausgangsklemme 2 eine erste Schaltstrecke 3 und zwischen der zweiten Eingangsklemme k und der Ausgangsklemme 2 eine zweite Schaltstrecke 5 auf, wobei die erste und die zweite Schaltstrecke so steuerbar sind, daß, wenn ein Schalter einem Magnetfeld B vom Läufer ausgesetzt ist, seine erste Schaltstrecke 3 geschlossen ist, wenn B>B_O+—^

ist, seine zweite Schaltstrecke 5 geschlossen ist,

wenn Β<Β_Λ—= ist, und daß seine beiden Schaltstrecken

I I Δ Β r·

¹ °.i.£^en sind, wenn IB-B-. I < — χ £ ist, wobei O< £*1 und

-^l B - <-&· ist. Dabei ist B ein Wert, der sich durch den J

off-set des Hall-Elementes im Schalter ergibt und für praktisch ausgeführte Schalter <25 mT ist. £ ist ein Wert, der sich aus der Streuung der Schaltungselemente im Schalter ergibt und für praktisch ausgeführte Schalter zwischen 0,5 und 1 liegt.

Magnetisch gesteuerte Schalter dieser Art sind Gegenstand

der älteren deutschen Patentanmeldung P 29 (PHD

79-113) der Anmelderin und dort näher erläutert. Zweckmäßigerweise ist jeder Schaltstrecke in jedem Schalter eine Freilaufdiode 6 bzw. 7 parallelgeschaltet.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Schaltung sind die einzelnen Ständerwicklungen zu einer geschlossenen Polygonschaltung, d.h. einem Fünfeck miteinander verbunden. Es sind jedoch auch andere Verbindungen zwischen den Strängen möglich, so können z.B. die einzelnen Wicklungen zu einem Stern verbunden werden.

nachträglloh geändert

a η. τι

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Die Fig. 2a+b zeigen nun im Schnitt und in Draufsicht
(schematisch dargestellt) einen Gleichstrommotor mit
drei Ständerwicklungen und drei magnetisch gesteuerten Schaltern, die die Kommutierungsschaltung für diesen

Motor bilden, dessen Ständerwicklungen in Dreieck oder in Stern geschaltet sein können.

Der hier dargestellte Motor besteht neben dem Gehäuse
im wesentlichen aus einem permanentmagnetischen Läufer 21 und drei U-förmigen Blechpaketen 22, 23 und 2k, die in Spulenkörper eingesetzt sind, welche die drei Ständerwicklungen 25, 26 und 27 tragen. Die drei Spulenkörper bilden zusammen eine Einheit 28, d.h. sie werden durch ein einziges Kunststoffpreßt eil 28 gebildet.
Mit diesem Gesamtspulenkörper 28 ist eine Printplatte

29 verbunden, die Ausnehmungen aufweist, in die symmetrisch über den Umfang verteilt, die drei die Ständerwicklungen 25 bis 27 steuernden, als integrierte Schaltung ausgebildeten, magnetisch gesteuerten Schalter 29 eingesetzt sind. In der Fig. 2 ist von diesen Schaltern nur ein Schalter dargestellt. Die Anordnung der Schalter
ist dabei, wie bereits erwähnt, derart symmetrisch,
daß die Ständerwicklungen durch das Mangetfeld des
Läufers 21 in zyklischer Folge gesteuert werden.

Fig. 3 zeigt den Gesamtspulenkörper 28 noch einmal getrennt in Draufsicht und läßt neben den einzelnen Spulenkörpern drei Ausnehmungen 31> 32 und 33 erkennen, deren Lage der Lage der Schalter auf der auf diesem Gesamtspulenkörper montierten Printplatte entspricht. Es ist selbstverständlich auch möglich, bereits den hier dargestellten Gesamtspulenkörper 28 selbst als Printplatte zu verwenden, d.h. auf ihn Leiterbahnen aufzudrucken,
und unmittelbar auf ihm, d.h. in den genannten Ausnehmungen 31 bis 33 die Schalter zu montieren.

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Zweckmäßiger ist es jedoch, die als integrierte Schaltung ausgebildeten Schalter auf einer besonderen Printplatte 29 zu montieren, von denen die Fig. 4a + 'lb zwei Ausführungsbeispiele zeigen. Die in Fig. ka dargestellte Printplatte 28a ist insbesondere für Schalter geeignet, die als plastikumhüllte integrierte Schaltung 29a ausgebildet sind. Diese integrierten Schaltungen sind in Ausnehmungen (3I bis 33) in der Printplatte so eingesetzt, daß die Dicke der Kombinnation aus Printplatte und die Schalter bildenden integrierten Schaltungen so gering wie möglich ist. Dies erlaubt es, die Schalter im Luftspalt zwischen Läufer und Ständer anzubringen.

Die Fig. kh zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Printplatte, bei der die genannte Dicke noch weiter verringert werden kann. Dies wird dadurch erreicht, daß die Schalter als auf einer Kontaktfolie integrierte Schaltungen 29b ausgebildet sind, die eine ganz besonders geringe Dicke haben.
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Vorzugsweise ist der in Fig. 3 dargestellte Gesamt spulenkörper mit drei Metallstiften 40 versehen, auf die die mit entsprechenden Öffnungen versehenen Printplatten leicht aufgesteckt werden können.
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Muß der Luftspalt des Motors so klein gehalten werden, daß die Printplatte 28 darin keinen Platz hat, so können, wie dies in Fig. 5 für einen Schalter dargestellt ist, die die Schalter bildenden integrierten Schaltungen 30c

3" in einem Gehäuse mit senkrechten Anschlüssen mit einem ausreichenden Abstand so auf eine außerhalb des Luftspaltes montierte Printplatte gelötet werden, daß sie weit genug in die Aussparung 50 des Gesamtspulenkörpers 28 hineinragen, um vom Magnetfeld des Läufers 21 ge-

*' steuert zu werden.

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Die Fig. 6 zeigt schließlich einen Gleichstrommtor

mit einem konventionell aufgebauten magnetischen Kreis. Im Gegensatz zu dem in Fig. 2 dargestellten Motor^ der einen vierpolig axialmagnetisierten Läufer aufweist, ist hier der Läufer 62 zweipolig diametral magnetisiert. Es wäre hier möglich, die Schalter 65 bis 67, insbesondere dann, wenn sie als flache, folienkontaktierte integrierte Schaltung ausgebildet sind, zwischenläufer und Ständer Blechpakete anbringen. Dies hat jedoch den

Nachteil, daß sie dann auch in hohem Maße den Feldern der Ständerspulen 6l ausgesetzt sind. Es ist daher zweckmäßiger, wie dies in der Figur dargestellt |ist, die Stirnstreuung des Läufers 62 auszunutzen und eine Printplatte 68, welche die Schalter 65 bis 67 trägt, an der Stirnseite des Läufers anzuordnen.

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ORIGINAL INSPECTED

-40-

L e e r s e i t e

Claims

* PHD 79-11**

Patentansprüche: £ 3 H U 0 0 Ι

Gleichstrommotor mit permanentmagnetischem ifer und elektronischer, von dem Magnetfeld des Läufers gesteuerter Kommutierungsschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß die im Ständer untergebrachte Ankerwicklung aus m in m-Eck oder in Stern geschalteten Strängen (lla bis lie) besteht, daß ein Ende jedes Stranges mit der Ausgangsklemme (2) eines als integrierte Halbleiterschaltung ausgebildeten, magnetisch steuerbaren Schalters (10, 20, 30, ^O und 50) verbunden ist, daß zwischen einer ersten (1) und der zweiten Eingangsklemme (k) jedes Schalters die Speisestromquelle (12) angeschlossen ist, daß zwischen der ersten Eingangsklemme (l) und der Ausgangsklemme (2) jedes Schalters eine erste Schaltstrecke (3) und zwischen der zweiten Eingangsklemme (k) und der Ausgangsklemme (2) eine zweite Schaltstrecke (5) angeordnet ist, daß die ersten und die zweiten Schaltstrecken so steuerbar sind, daß, wenn ein Schalter einem Magnetfeld B ausgesetzt ist, seine erste Schalt-

strecke (3) geschlossen ist, wenn B> B +— ist,

seine zweite Schaltstrecke (5) geschlossen ist, wenn

B<B —~ ist, und daß seine beiden Schaltstrecken

offen sind, wenn JB-B₀ |< 2 ^X ^ ^ist» wobei Q < £ 4.

und B ■ - ist, und daß die einzelnen Schalter derart symmetrisch am Ständer des Motors angeordnet sind, daß sie durch das Magnetfeld des Läufers in zyklischer Folge gesteuert werden.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schaltstrecke (3, 5) jedes Schalters eine Freilaufdiode (6, 7) parallelgeschaltet ist.

nachträgiloh Geändert

^v (P/H^oM K ^' ⁿ< JJ

/ΜΙ."«

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3· Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer axialmagnetisiert ist und die Schalter am Umfang des Läufers vor einer oder beider seiner Stirnseiten angeordnet sind. 5

k. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (30) gemeinsam auf einer Printplatte (29) angeordnet sind.

5· Motor nach Anspruch k , dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (30a) in Ausnehmungen in der Printplatte (29a) eingesetzt sind.

6. Motor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Printplatte und die Spulenkörper der Ständerwicklungen eine Einheit bilden.

7. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Schalter bildenden integrierten Schaltungen auf einer kontaktierenden Folie montiert und in dem Luftspalt zwischen Ständer und Läufer angeordnet sind.

8. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer diametral oder radial magnetisiert ist und die Schalter dem Hauptfeld oder dem Stirnstreufeld des Läufers ausgesetzt sind.

9. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Ständerblechpakete und der Schalter so getroffen ist, daß der Einfluß des Standerfeldes auf die Schalter vernachlässigbar ist.

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