DE3013249C2

DE3013249C2 -

Info

Publication number: DE3013249C2
Application number: DE3013249A
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Urawa Kanagawa Jp Yamauchi
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1979-04-05
Filing date: 1980-04-03
Publication date: 1990-08-09
Also published as: GB2049322A; FR2453526A1; GB2049322B; US4396875A; JPS55133659A; FR2453526B1; DE3013249A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Gleichstrommotor entspre chend dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Gleichstrommotoren dieser Art werden beispielsweise für Plattenspieler oder Tonbandgeräte verwendet.

Ein Gleichstrommotor entsprechend dem Oberbegriff des An spruches 1 ist beispielsweise durch die US-PS 35 17 289 bekannt. Hierbei sind Halleffektelemente vorgesehen, die die den Ankerwicklungen des Motors zugeführten Ströme in sinusförmiger Beziehung zur Rotordrehlage steuern, um unabhängig vom Drehwinkel der Motorwelle ein konstantes Drehmoment zu erreichen.

Bei einem derartigen Gleichstrommotor wird der Rotorma gnet so magnetisiert, daß sich der Magnetfluß des Rotor magneten sinusförmig ändert.

Zum Stand der Technik gehören weiterhin magnetisch steu erbare Widerstände (sogenannte "Feldplatten"), deren Wi derstand in Abhängigkeit von der magnetischen Induktion zunächst etwa quadratisch und von einem bestimmten Induk tionswert an nahezu linear ansteigt (vgl. ATM, Nov. 68, Seiten R 133-R 135).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gleich strommotor entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1 so auszubilden, daß unabhängig von der Drehlage der Mo torwelle ein konstantes Drehmoment erzeugt wird, jedoch keine oder nur geringe elektrische Störsignale hervorge rufen werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeich nenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Fig. 1 bis 14 beispielsweise erläutert. Es zeigt:

Fig. 1A und 1B Diagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise des Gleichstrommotors,

Fig. 2 einen Querschnitt des Motors.

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Statormagneten des Motors der Fig. 2,

Fig. 4 eine Aufsicht der Zweiphasensteuerwicklung des Motors der Fig. 2,

Fig. 5 den Lagemagneten des Motors in Fig. 2,

Fig. 6 ein Schaltbild eines Ansteuerkreises zur Ansteue rung des Motors in Fig. 2,

Fig. 7 und 8 schematische Darstellungen des Kommutators und der Bürste des Motors in Fig. 2,

Fig. 9 eine Aufsicht der Zweiphasenansteuerwicklungen in einer weiteren Ausführungsform,

Fig. 10 einen Querschnitt des Motors in einer weiteren Ausführungsform,

Fig. 11 den Rotormagneten und den Lagemagneten des Motors in Fig. 10,

Fig. 12 die Zweiphasenansteuerwicklungen des Motors in Fig. 10,

Fig. 13 ein Schaltbild des Ansteuerkreises des Motors in Fig. 10, und

Fig. 14A und 14B Diagramme zur Erläuterung der Arbeits weise des Motors in Fig. 10.

Bei dem Gleichstrommotor wird ein Festmagnet bis zur Sätti gung magnetisiert, um unabhängig vom Drehwinkel R der Motor welle eine konstante Feldstärke zu erzielen. Zweiphasige Ansteuerwicklungen des Motors sind an Stellen angeordnet, die eine elektrische Winkeldifferenz haben, die ein ungerad zahliges Vielfaches von 90° ist, und denen Ströme proportio nal sin²R und cos²R zugeführt werden.

Theoretisch wird, wenn ein Strom proportional sin²R einer der Ansteuerwicklungen zugeführt wird, ein Drehmoment Ts erzeugt, das wie folgt ausgedrückt werden kann:

Ts = B × K sin²R

wobei B der Magnetfluß und K eine Konstante ist.

Wenn ein Strom proportional cos²R der anderen Ansteuerwick lung zugeführt wird, wird ein Drehmoment Tc erzeugt, das wie folgt ausgedrückt werden kann:

Tc = B × K cos²R

Das zusammengesetzte Drehmoment T kann wie folgt ausge drückt werden:

T = Ts + TC = B · K (sin²R + cos²R) = B · K

Es ist somit ersichtlich, daß, wenn die Ströme proportional sin²R und cos²R den Zweiphasenansteuerwicklungen des Motors zugeführt werden, ein Drehmoment, das unabhängig von dem Drehwinkel R der Motorwelle konstant ist, erzeugt wird, und ein Gleichstrommotor ohne Welligkeit des Drehmoments realisierbar ist.

Selbst wenn das Magnetfeld konstant ist, wird die Richtung des Magnetfeldes zwischen den Magnetpolen N und S umge kehrt. Bei der praktischen Ansteuerung eines Gleichstrom motors müssen daher die Richtungen der Ströme I 1 und I 2, die proportional sin²R und cos²R sind, wie die Fig. 1A und 1B zeigen, synchron mit der Änderung der Magnetfelder geändert werden, die den Ansteuerwicklungen zugeführt werden, die in den Fig. 1A und 1B durch durchgehende Linien 1 und 2 gezeigt sind, wie in diesen Figuren die unterbro chenen Linien zeigen, wenn die Ströme I 1 und I 2 den An steuerwicklungen zugeführt werden.

Für einen bürstenlosen Motor und einen Motor mit Bürste gibt es zwei Arten der Änderung der Stromrichtung.

Zunächst wird der Fall des Motors mit Bürste beschrieben. Wenn eine Bürste und ein Kommutator verwendet werden, um die Stromrichtung zu ändern, kann die Gefahr auftreten, daß ein elektrisches Störsignal in Abhängigkeit von der Änderungszeit der Stromrichtung erzeugt wird. Zur Be seitigung dieses Problems wird, wenn der Strom geändert bzw. geschaltet wird, der Pegel des durch die Ansteuer wicklung fließenden Stroms etwa zu Null gewählt, um das elektrische Störsignal zu verringern, das bei einem be kannten Gleichstrommotor mit Bürste erzeugt wird.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt des Gleichstrommotors. In Fig. 2 bezeichnet 3 die Welle, 4 den Feldmagneten, 5 den Anker, der aus Zweiphasenansteuerwicklungen 6 und 7 besteht und an der Welle 3 befestigt ist, 6 P eine Bürste 8 und einen Kommutator 9, die für die erste Ansteuer wicklung 6 vorgesehen sind, und 7 P eine Bürste 10 und einen Kommutator 11, die für die zweite Ansteuerwicklung 7 vorgesehen sind.

Ein Lagemagnet 12 ist zusammen mit dem Anker 5 drehbar, und ein magnetischer Widerstand 13 ist so angeordnet, daß er den Magnetfluß erfaßt, der von dem Lagemagneten 12 aus geht.

In Fig. 2 sind 14 und 15 Magnetjoche, die Lager 16 und 17 zur Lagerung der Welle 3 haben. Der Feldmagnet 4 ist ring förmig, ist an dem Joch 14 befestigt und ist so magneti siert, daß er acht kreisförmig angeordnete Pole hat, wie Fig. 3 zeigt. Der Feldmagnet 4 ist bis zur Sättigung magnetisiert, um einen trapezförmigen Verlauf der Magnet flußverteilung zu erzielen.

Die Zweiphasenansteuerwicklungen 6 und 7, die zusammen mit der Welle 3 gedreht werden, sind wie in Fig. 4 angeordnet. Wicklungsblöcke C 1 und C 2, die hinsichtlich des elektri schen Winkels in Phase angeordnet sind, sind in Reihe ge schaltet, um die erste Ansteuerwicklung 6 zu bilden; in ähnlicher Weise sind Wicklungsblöcke C 3 und C 4 hinsicht lich des elektrischen Winkels in Phase angeordnet und in Reihe geschaltet, um die zweite Ansteuerwicklung 7 zu bilden. Die erste und zweite Ansteuerwicklung 6 und 7 liegen an Stellen, die um ein ungeradzahliges Vielfaches von 90° im elektrischen Winkel versetzt sind. Wenn daher das Magnetfeld, das in Fig. 1A durch die durchgehende Linie 1 gezeigt ist, auf die erste Ansteuerwicklung 6 gegeben wird, wird das Magnetfeld, das in Fig. 1B durch die durchgehende Linie 2 gezeigt ist, auf die zweite An steuerwicklung 7 gegeben.

Der Lagemagnet 12 und der Magnetwiderstand 13 (der am Joch 14 befestigt ist) erzeugen Ströme proportional sin²R und cos²R, die als Ansteuerströme der ersten und zweiten Ansteuerwicklung 6 und 7 zugeführt werden. Der Magnetwiderstand 13 erzeugt ein Ausgangssignal, das dem Quadrat des Magnetflusses B proportional ist.

Beim Beispiel der Fig. 2 ist der Lagemagnet 12 ein Ring magnet, der so magnetisiert ist, daß er die gleiche An zahl von Polen wie der Feldmagnet 4, d. h. acht Pole hat, wie Fig. 5 zeigt, und die Magnetflußverteilung des Lagemagneten 12 hat einen sinusförmigen Verlauf. Der Lagemagnet 12 ist z. B. am Anker 5 zusammen mit diesem und der Welle 3 drehbar angeordnet. Der Magnetwiderstand 13 ist z. B. am Joch 14 befestigt, um den vom Lagemagneten 12 ausgehenden Magnetfluß zu erfassen.

Wenn der Magnetfluß des Lagemagneten 12 durch B sin R ausgedrückt wird, wird das Ausgangssignal des Magnetwider standes 13, während sich der Lagemagnet 12 dreht, propor tional (B sinR)², der Magnetwiderstand 13 erzeugt damit ein Signal proportional sin²R.

Im Gleichstrommotor muß außerdem ein Signal proportional cos²R erzeugt werden. Hierzu kann man einen gesonderten Magnetwider stand verwenden. Bei diesem Beispiel wird jedoch durch Anwendung der Beziehung cos²R = 1 - sin²R ein Signal pro portional cos²R aus dem sin²R proportionalen Signal er zeugt, das vom Magnetwiderstand 13 erhalten wird. Dies bedeutet, daß die Polarität des sin²R proportionalen Signals umgekehrt wird, und dann dessen Gleichstrompegel geändert wird, um ein Signal proportional cos²R zu er zeugen.

Fig. 6 zeigt ein Beispiel des Ansteuerkreises für den Gleichstrommotor. Der Magnetwiderstand 13 erhält Gleich strom von einer Gleichspannungsquelle EO und auch den Magnetfluß B sinR vom Lagemagneten 12, so daß der Magnet widerstand 13 an seinem Ausgangsanschluß ein Ausgangs signal Es proportional B² sin²R abgibt, das dann einem Operationsverstärker 17 zur Verstärkung zugeführt wird. Auf der Grundlage des Ausgangssignals des Operationsver stärkers 17 wird ein Strom I 1 proportional sin²R dem ersten Ansteuerkreis 6 zugeführt.

Das Ausgangssignal Es des Magnetwiderstandes 13 wird unter Polaritätsumkehr einem Operationsverstärker 18 zugeführt, und sein Gleichspannungspegel wird durch eine Gleichspan nungsquelle 20 verschoben. Der Operationsverstärker 18 erzeugt daher ein Ausgangssignal proportional cos²R, auf dessen Grundlage ein Strom I 2 proportional cos²R der zweiten Ansteuerwicklung 7 zugeführt wird.

In Fig. 6 bezeichnet 19 eine Gleichspannungsquelle, die zur Beseitigung einer Gleichspannungsverschiebung durch den Magnetwiderstand 13 verwendet wird.

Die Richtungen der Ströme I 1 und I 2, die durch die An steuerwicklungen 6 und 7 fließen, werden durch die An ordnung 6 P der Bürste 8 und des Kommutators 9 und die Anordnung 7 P der Bürste 10 und des Kommutators 11 in Abhängigkeit von der Änderung des Magnetfeldes geschal tet, das auf die Ansteuerwicklungen 6 und 7 gegeben wird. Die obige Schaltzeit der Stromrichtung wird in der fol genden Weise zu dem Zeitpunkt gewählt, wenn die Ströme I 1 und I 2 im wesentlichen Null sind. Der Magnetwider stand 13 wird an einer solchen Stelle angeordnet, daß der Pegel der Ströme I 1 und I 2 im wesentlichen Null wird, wenn die Magnetfelder, die auf die Ansteuerwicklungen 6 und 7 gegeben werden, vom Nordpol auf den Südpol ge schaltet werden, wie die Fig. 1A und 1B zeigen.

Es werden nun die Konstruktion und die Anordnung der Bürste und des Kommutators beschrieben. Wie die Fig. 7 und 8 zei gen, ist die Anzahl der Kommutatoren 9 und 11 gleich der Polzahl des Feldmagneten 4, und damit sind acht Kommuta toren 9 a bis 9 h und 11 a bis 11 h vorhanden. Die acht Kommutatoren 9 a bis 9 h und 11 a bis 11 h umgeben die Welle 3. Beide Kommutatorgruppen sind längs der Achse der Welle 3 angeordnet, wie Fig. 2 zeigt. Die Kommutatoren 9 a bis 9 h und 11 a bis 11 h haben die gleiche Winkellage um die Welle 3. Die Kommutatoren 9 a und 11 a z. B. haben die gleiche Winkel lage.

Wie Fig. 7 zeigt, ist jeder Kommutator 9 a, 9 c, 9 e und 9 g mit dem einen Ende der ersten Ansteuerwicklung 6 verbunden, und die anderen Kommutatoren 9 b, 9 d, 9 f und 9 h sind mit dem anderen Ende der ersten Ansteuerwicklung 6 verbunden. Obwohl in Fig. 8 nicht gezeigt, sind die Kommutatoren 11 a bis 11 h wie die Kommutatoren 9 a bis 9 h mit der zweiten An steuerwicklung 7 verbunden.

Die Bürsten 8 und 10 bestehen aus zwei Bürsten 8 a, 8 b und 10 a, 10 b, wie die Fig. 7 und 8 zeigen. Die Bürsten 8 a und 10 a sind mit den Ausgängen der Operationsverstärker 17 und 18 verbunden, und die anderen Bürsten 8 b und 10 b liegen an Masse, wie Fig. 6 zeigt. Die Bürsten 8 a und 8 b und 10 a und 10 b sind um ein ungeradzahliges Vielfaches von 180° im elektrischen Winkel versetzt, wobei die Bürsten 8 a und 8 b an Stellen liegen, die im elektrischen Winkel um ein ungeradzahliges Vielfaches von 90° versetzt sind und die Bürsten 10 a und 10 b wie die Bürsten 8 a und 8 b angeordnet sind.

Da bei dem obigen Beispiel der Lagemagnet 12, der Magnet widerstand 13 und die Anordnungen 6 P und 7 P der Bürsten und Kommutatoren in der obigen Weise aufgebaut und ange ordnet sind, berührt während der Periode von z. B. 180° des elektrischen Winkels, in der die Bürste 8 a den Kommu tator 9 a berührt, die Bürste 8 b den Kommutator 9 b. In dieser Periode fließt somit ein Ansteuerstrom durch die Ansteuerwicklung 6 in der durch den Pfeil 21 in Fig. 7 angegebenen Richtung. Während der Periode von 180° des elektrischen Winkels nach der obigen Periode, berührt die Bürste 8 a, wenn die Drehrichtung des Kommutators 9 durch den Pfeil 21 a in Fig. 7 angegeben wird, den Kommu tator 9 b und die Bürste 8 a den Kommutator 9 c. Damit fließt in dieser Periode ein Ansteuerstrom durch die An steuerwicklung 6 in der durch den Pfeil 22 angegebenen Richtung entgegengesetzt zu der durch den Pfeil 21 in Fig. 7 angegebenen, so daß die Stromrichtung umgeschaltet ist.

Da die Stromumschaltung zu dem Zeitpunkt auftritt, wenn die Ströme proportional sin²R und cos²R im wesentlichen Null sind, wie Fig. 1 zeigt, wird nahezu kein elektrisches Störsignal während dieser Stromumschaltung erzeugt. Selbst wenn die Stromumschaltung z. B. um etwa 10° im elektrischen Winkel abweicht, beträgt der zu diesem Zeitpunkt fließende Strom nur etwa 3% der Maximalamplitude, und damit wird zu diesem Zeitpunkt nur ein sehr geringes elektrisches Stör signal erzeugt.

Wie zuvor beschrieben, hat der Gleichstrommotor mit Bürste somit nahezu keine Welligkeit und die erzeugten elektri schen Störsignale sind sehr gering.

Da es bei dem obigen Beispiel ausreicht, daß die Ströme proportional sin²R und cos²R der gleichen Polarität über die Verstärker den Ansteuerwicklungen zugeführt werden, kann eine Batterie als Spannungsquelle des Motors verwen det werden, die einfach und zweckmäßig ist.

Bei dem obigen Beispiel werden die Ansteuerströme, die den Zweiphasenansteuerwicklungen zugeführt werden, von dem einzigen Magnetwiderstand abgeleitet, so daß keine Gefahr auftritt, daß sich der Gleichspannungspegel des Ausgangs signals des Magnetwiderstandes infolge Streuung ändert, wie dies der Fall ist, wenn zwei Magnetwiderstände ver wendet werden, und daher wird keine Drehmomentwelligkeit durch eine Gleichspannungspegeländerung verursacht.

Bei dem obigen Beispiel sind die Kommutatoren 9 und 11 in der gleichen Winkellage angeordnet, und die Bürsten 8 und 10 sind im elektrischen Winkel um ein ungeradzahliges Vielfaches von 90° versetzt. Es ist auch im Gegensatz zum obigen Fall möglich, die Bürsten 8 und 10 im elektrischen Winkel in der gleichen Lage und die Kommutatoren 9 und 11 im elektrischen Winkel um ein ungeradzahliges Vielfaches von 90° versetzt anzuordnen.

Wenn die Anzahl der Magnetpole im Feldmagneten 4 zu N (eine positive ganze Zahl) gewählt wird, wenn N/2 eine gerade Zahl wie im Falle der Fig. 3 ist, bilden die Wicklungs blöcke C 1 und C 2 oder C 3 und C 4 in Fig. 4 selbst in der Lage der Polarität der vom Feldmagneten erzeugten Magnet felder, so daß die Drehmomente mit gutem Gleichgewicht erzeugt werden. Wenn jedoch N/2 ungeradzahlig ist, und die Polzahl z. B. 6 beträgt, wie in Fig. 9, sowie die Wicklungsblöcke C 1 und C 2 oder C 3 und C 4 auf der Symmetrie achse liegen, wird die Polarität des vom Feldmagneten an gewandten Magnetfeldes unterschiedlich. In diesem Falle sind daher die Wicklungsblöcke C 1 und C 2 bzw. C 3 und C 4 entgegengesetzt zum Fall der Fig. 4 geschaltet.

Es wird nun ein Beispiel des bürstenlosen Gleichstrommotors beschrieben.

Bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor ist ein Magnet als Rotor und eine Ansteuerwicklung als Stator verwendet. Der Rotormagnet wird bis zur Sättigung magnetisiert, um un abhängig vom Drehwinkel R der Motorwelle ein Magnetfeld konstanter Größe zu erzeugen, während die Ansteuerwicklung aus Zweiphasenwicklungen gebildet ist, die im elektrischen Winkel um ein ungeradzahliges Vielfaches von 90° versetzt sind und denen Ansteuerströme proportional sin²R und cos²R zugeführt werden.

Fig. 10 zeigt im Querschnitt ein Beispiel des Motors. In Fig. 10 bezeichnet 23 eine Welle, 24 einen Rotormagneten, der sich zusammen mit der Welle 23 dreht, 25 und 26 Zwei phasenansteuerwicklungen, 27 einen Lagemagneten, der sich zusammmen mit dem Rotormagneten 24 dreht, und 28 einen Magnetwiderstand, der so angeordnet ist, daß er den vom Lagemagneten 27 ausgehenden Magnetfluß erfaßt.

In Fig. 10 nicht gezeigte, jedoch anhand der Fig. 12 be schriebene Halleffektelemente 29 und 30 sind vorgesehen, um den Magnetfluß zu erfassen, der von dem Rotormagneten 24 ausgeht.

In Fig. 10 bezeichnet 31 ein Joch, das sich zusammen mit der Welle 23 dreht und das den Rotormagneten 24 und den Lagemagneten 27 trägt und 32 ein weiteres Joch, das die Welle 23 über Lager 33 und 34 und die Ansteuerwicklungen 25, 26, den Magnetwiderstand 28 und die Halleffektelemente 29, 30 trägt.

Wie Fig. 11 zeigt, ist der Rotormagnet 24 so magnetisiert, daß er bei dem gezeigten Beispiel acht Pole hat, und ist auch gesättigt, wie zuvor beschrieben wurde, so daß die Magnetflußverteilung trapezförmig ist.

Die Anordnung der Zweiphasensteuerwicklungen 25 und 26 ist in Fig. 12 gezeigt. Die Wicklungsblöcke C 1 und C 2 die bezüglich des elektrischen Winkels in Phase sind, sind in Reihe geschaltet, um die erste Ansteuerwicklung 25 zu bilden, und die Wicklungsblöcke C 3 und C 4, die bezüglich des elektrischen Winkels in Phase sind, sind in Reihe geschaltet, um die zweite Ansteuerwicklung 26 zu bilden. Die erste Ansteuerwicklung 25 und die zweite Ansteuerwicklung 26 sind im elektrischen Winkel um ein ungeradzahliges Vielfaches von 90° versetzt. Die Hall effektelemente 29 und 30, die den Magnetfluß des Rotor magneten 24 erfassen, liegen an der ersten und zweiten Ansteuerwicklung 25 und 26 entsprechenden Stellen.

Wenn bei dem Motor der Fig. 10 bis 12 das Magnetfeld, das z. B. in Fig. 1A durch die durchgehende Linie 1 gezeigt ist, auf die erste Ansteuerwicklung 25 gegeben wird, wird das Magnetfeld, das in Fig. 1B durch die durchgehende Linie 2 gezeigt ist, auf die zweite Ansteuerwicklung 26 gegeben.

Der Lagemagnet 27 und der Magnetwiderstand 28 erzeugen An steuerströme proportional sin²R und cos²R, die der ersten und zweiten Ansteuerwicklung 25 und 26 zugeführt werden.

Der Magnetwiderstand 28 erzeugt bei diesem Beispiel ein Ausgangssignal proportional dem Quadrat des Magnetflusses B. Bei dem Beispiel der Fig. 11 ist der Lagemagnet 27, der sich innerhalb des Rotormagneten 24 befindet, so magnetisiert, daß er die gleiche Anzahl von Polen wie der Rotormagnet 24 , d. h. acht Pole, hat, und sein Magnetfluß verläuft sinusförmig. Da der Magnetwiderstand 28 so angeordnet ist, daß er den Magnetfluß des Lage magneten 27 erfaßt, wird, wenn der Magnetfluß des Lage magneten 27 durch B sinR ausgedrückt wird, das Ausgangs signal des Magnetwiderstandes 28 proportional (B sin R)², während der Rotormagnet 24 gedreht wird. Das sin-²R pro portionale Signal kann daher vom Magnetwiderstand 28 erzeugt werden.

Es ist auch erforderlich, ein cos²R proportionales Signal zu erzeugen. Hierzu kann ein gesonderter Magnetwider stand vorgesehen sein. Bei dem Beispiel wird jedoch die Beziehung cos²R = 1 - sin²R zur Erzeugung des cos²R proportionalen Signals auf der Grundlage des sin²R proportionalen Ausgangssignals des Magnetwiderstandes 28 verwendet. Das sin²R proportionale Signal wird in der Polarität umgekehrt, und sein Gleichspannungspegel wird zur Erzeugung eines cos²R proportionalen Signals geändert.

Es wird nun ein Beispiel des Ansteuerkreises für den bürstenlosen Gleichstrommotor anhand der Fig. 13 be schrieben. Bei diesem Beispiel erhält der Magnetwider stand 28 eine Gleichspannung von einer Gleichspannungs quelle Eo, während der Magnetfluß B sinR dem Magnetwider stand 28 vom Lagemagneten 27 zugeführt wird, so daß am Ausgang des Magnetwiderstandes 28 ein Ausgangssignal Es proportional B 2 sin²R erhalten wird. Das Ausgangssignal Es wird einem Operationsverstärker 35 zur Verstärkung zuge führt. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 35 hat den in Fig. 14B gezeigten Verlauf, wenn der Rotor magnet 24 trapezförmig wie in Fig. 14A magnetisiert ist. Das Halleffektelement 29, das den Magnetfluß des Rotor magneten 24 erfaßt, erzeugt ein Ausgangssignal mit dem Verlauf in Fig. 14C. Das Ausgangssignal des Halleffekt elements 29 wird über einen Verstärker 36 einem Schalter 37 zugeführt, der mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 35 verbunden ist, um diesen zu schalten. Der Schalter 37 hat einen Arbeitskontakt 38 und zwei Festkontakte 39, 40, um die Richtung des Ansteuerstroms zu schalten, der durch die erste Ansteuerwicklung 25 fließt.

Wenn z. B. das Halleffektelement 29 den Nordpol des Rotor magneten 24 erfaßt, wird der Schalter 37 vom Ausgangs signal des Verstärkers 36 so geschaltet, daß sein Arbeits kontakt 38 den Festkontakt 39 berührt, wie Fig. 13 zeigt. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 35 wird somit über die Kontakte 38, 39 des Schalters 37 und die Verstär ker 41 und 42 zu Transistoren 45 und 48 übertragen, um diese zu öffnen. Es fließt damit ein Ansteuerstrom proportional sin²R von einem Spannungsquellenanschluß Vcc über den Tran sistor 45, die Ansteuerwicklung 25 und den Transistor 48 nach Masse.

Wenn der Rotormagnet 24 gedreht wird und das Halleffekt element 29 den Südpol des Rotormagneten 24 erfaßt, wird der Schalter 27 durch das Ausgangssignal des Verstärkers 36 so geschaltet, daß der Arbeitskontakt 38 den anderen Festkontakt 40 berührt. Das Ausgangssignal des Operations verstärkers 35 wird somit über die Kontakte 38, 40 und die Verstärker 43 und 44 zu Transistoren 46 und 47 über tragen, um diese zu öffnen. Damit fließt ein Ansteuer strom proportional sin²R vom Spannungsquellenanschluß Vcc über den Transistor 47, die Ansteuerwicklung 25 und den Transistor 46 nach Masse. Die Richtung des Ansteuerstroms, der durch die Ansteuerwicklung 25 fließt, unterscheidet sich somit von dem vorherigen Fall. Der Ansteuerstrom durch die Ansteuerwicklung 25 hat den Verlauf der Fig. 14 D.

Damit der cos²R proportionale Strom durch die zweite AN steuerwicklung 26 fließt, wie Fig. 13 zeigt, wird das Ausgangssignal Es des Magnetwiderstands 28 einem Opera tionsverstärker 49 mit umgekehrter Polarität zugeführt. Der Gleichspannungspegel des Ausgangssignals Es wird mit der Gleichspannungsquelle 50 verschoben. Der Operations verstärker 49 erzeugt damit ein cos²R proportionales Ausgangssignal, das Fig. 14E zeigt und das einem Schal ter 52 zugeführt wird, der einen Arbeitskontakt 53 und zwei Festkontakte 54 und 55 hat. Das Ausgangssignal des zweiten Halleffektelementes 30, das Fig. 14F zeigt, wird einem Verstärker 51 zugeführt, dessen Ausgangssignal dem Schalter 52 zugeführt wird, um diesen zu schalten. Wenn das zweite Halleffektelement 30 den Nordpol des Rotor magneten 24 erfaßt, berührt der Arbeitskontakt 53 des Schalters 52 den einen Festkontakt 54, wie Fig. 13 zeigt. Damit wird das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 49 über die Kontakte 53, 54 und Verstärker 56 und 57 Transistoren 60 und 63 zugeführt, um diese zu öffnen. Daher fließt ein Ansteuerstrom proportional cos²R von einem Spannungsquellenanschluß Vcc über den Transistor 60, die zweite Ansteuerwicklung 26 und den Transistor 63 nach Masse.

Wenn das zweite Halleffektelement 30 den Südpol des Rotor magneten 24 erfaßt, wird der Arbeitskontakt 53 des Schal ters 52 auf den anderen Festkontakt 55 umgeschaltet, und damit wird das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 49 über die Kontakte 53, 55 und Verstärker 58, 59 Transi storen 61 und 62 zugeführt, um diese zu öffnen. Es fließt daher ein Ansteuerstrom proportional cos²R vom Spannungs quellenanschluß Vcc über den Transistor 62, die zweite Ansteuerwicklung 26 und den Transistor 61 nach Masse. Der Ansteuerstrom durch die zweite Ansteuerwicklung 26 hat daher den Verlauf der Fig. 14G.

Um die Polarität des Rotormagneten 24 zu erfassen, können Magnetwiderstände anstelle des ersten und zweiten Hall effektelements 29 und 30 und auch Fotokoppler verwendet werden. In letzterem Falle werden ein Reflektor und ein nicht reflektierendes Element entsprechend der Polarität des Rotormagneten 24 vorgesehen.

Zur Erzeugung der sin²R und cos²R proportionalen Ströme kann auch die folgende Methode in Betracht gezogen werden: Die Beziehungen cos²R = 1/2(cos²R + 1) und sin²R = 1/2(1 - Cos²R) werden hierzu verwendet. Als Lagemagnet wird ein Magnet verwendet, der zweimal so viel Pole wie der Feld magnet hat und der sinusförmig magnetisiert ist. Ein Halleffektelement wird z. B. verwendet, um das Magnetfeld des Lagemagneten zu erfassen und an seinem Ausgang ein cos²R proportionales Signal zu erzeugen. Der Gleichspan nungspegel dieses Signals wird zur Erzeugung eines cos²R proportionalen Signals verschoben. Das cos²R proportionale Signal des Halleffektelements wird in der Polarität umge kehrt und sein Gleichspannungspegel wird zur Erzeugung eines sin²R proportionalen Signals verschoben. Da das Hall effektelement einen großen dynamischen Bereich und eine hohe Empfindlichkeit im Vergleich zu dem Magnetwiderstand hat, ist die Anordnung des Halleffektelements leicht.

Claims

1. Gleichstrommotor, enthaltend

a) einen Feldmagneten und einen mit Wicklungen ver sehenen Anker, die als Stator und Rotor zusammen wirken,
b) einen Lagesensor zur Erzeugung von sich mit der jeweiligen Relativlage von Rotor und Stator ändernden Lagesignalen,
c) an den Lagesensor angeschlossene Verstärkerstufen zur Speisung der Ankerwicklungen, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
d) der Feldmagnet (4; 24) ist bis zur Sättigung mag netisiert und erzeugt eine trapezförmige Magnet flußverteilung,
e) mit dem Lagesensor (12, 13; 27,28) sind Schaltungs elemente (19, 20; 35, 49, 50) verbunden, die aufgrund der Lagesignale Steuersignale proportional sin²R und cos²R erzeugen, wobei R der Drehwinkel des Rotors ist,
f) die Verstärkerstufen (17, 18; 41-44; 56-59) er zeugen entsprechend den Steuersignalen den Anker wicklungen (6, 7; 25, 26) zugeführte, in ihrer Richtung periodisch umgeschaltete Antriebsströme proportional sin²R und cos²R.

2. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Lagesensor durch einen Lagemagne ten (12; 27) mit sinusförmiger Magnetflußverteilung sowie einen den Magnetfluß des Lagemagneten (12; 27) erfassenden Magnetwiderstand (13; 28) gebildet wird, wobei der Lagemagnet (12; 27) und der Magnetwider stand (13; 28) relativ zueinander drehbar sind und der Magnetwiderstand (13; 28) ein Lagesignal pro portional sin²R abgibt.

3. Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß zur Zuführung der Antriebsströme zu den Ankerwicklungen (6, 7) je ein Kommutator (9 bzw. 11) mit Bürste (8 bzw. 10) vorgesehen ist.

4. Gleichstrommotor nach Anspruch 1 dadurch gekenn zeichnet, daß zur Zuführung der Antriebsströme zu den Ankerwicklungen (25, 26) durch einen zweiten La gesensor (29, 30) gesteuerte Schalter (37, 52) vorge sehen sind.