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Kollektorloser Gleichstrommotor
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Zusatz zu P 30 22 836.5-32 Die Erfindung betrifft einen Motor nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher Motor ist bekannt aus dem zugchörigen
Hauptpatent, nämlich der DE - PS 30 22 836, auf deren Inhalt zur Vermeidung von
Längen in vollem Umfang Bezug genommen wird.
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Dort wird in der einen Zuleitung des Motors ein sogenannter Schmelzwiderstand
eingebaut, der bei Überlastung des Motors durchschmilzt. Es ist auch bekannt, an
der gleichen Stelle anstelle eines solchen Schmelzwiderstands einen PTC-Widerstand
zu verwenden, der bei Überlastung seinen Widerstandswert stark erhöht und dadurch
den Motorstrom auf etwa 10 bis 20 t0 des Normalwertes reduziert, um z.B. bei einem
Blockieren des Rotors Beschädigungen der Motorelektronik oder der Wicklung zu vermeiden.
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Wird die Motorwicklung in einer Brückenschaltung betrieben, so fließt
der Reststrom vom PTC-Widerstand u.a. durch diese Wicklung und durch die sie kontrollierenden
Leistungstransistoren. Die Brückenschaltung wird dabei mit stark reduzierter Spannung
betrieben, d.h. die Leistungstransistoren erhalten auch stark reduzierte Basisströme
zugeführt und werden nicht mehr voll durchgesteuert, so daß sie dann nicht mehr
im Schaltbetrieb arbeiten, sondern nach Art von variablen Widerständen.
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In diesem Zustand erhöht sich also die Verlustleistung in diesen Leistungstransistoren,
so daß diese stärker gefährdet werden. Diese Transistoren können hierbei also in
einen instabilen Zustand geraten, in dem sie - trotz der Reduzierung des Stromes
durch den PTC-Widerstand -
sehr stark gefährdet sind.
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Deshalb ist es eine Aufgabe der Erfindung, bei überlastetem oder blockiertem
Motor eine Überlastung der Brückentransistoren mit einfachen Mitteln zu verhindern.
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Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch die im Anspruch
1 angegebenen Maßnahmen. Bei Überlastung zieht - wegen der Reduzierung oder des
Wegfalls der Gegen-EMK - die Wicklung mehr Strom, iind hierbei erwärmt sich der
mit ihr in Reihe liegende PTC-Widerstand und reduziert diesen Strom auf einen ungefährlichen
Wert. Die Brückentransistoren bleiben hierbei aber an der vollen Betriebsspannung,
d.h. sie werden weiterhin voll durchgesteuert und arbeiten an einem Punkt ihrer
Kennlinie, an dem ihre innere Verlustleistung niedrig ist, so daß sie nicht gefährdet
werden. Anders gesagt tritt hierbei praktisch der gesamte Sannungsabfall über dem
PTC-Widerstand auf.
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Wenn die Blockierung beseitigt ist, wird der Motor kurz abgeschaltet,
bis der PTC-Widerstand abgekühlt ist, und der Motor kann dann wieder normal laufen.
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Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten,
in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen,
-sowie aus den Unteransprüchen. Es zeigt: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines
einsträngigen, zweipulsigen Außenläufermotors bekannter Bauart, Fig. 2 ein erstes
Ausführungsbeispiel in Form einer Vollbrückenschaltung 2um Betrieb des Motors nach
Fig. 1, und
I'ig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel in Form einer
Halbbrückenschaltung, ebenfalls zum Betrieb des Motors nach Fig. 1, und Fig. 4 ein
drittes Ausführungsbeispiel (Vollbrücke).
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In der nachfolgenden Beschreibung werden gleiche oder gleichwirkende
Teile jeweils mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und gewöhnlich nur einmal beschrieben.
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Fig. 1 zeigt - lediglich zum besseren Verständnis der Erfindung -
einen Außenläufermotor 10 mit einem äußeren, als durchgehender Magnetring ausgebildeten
zweipoligen Rotor 11, dessen Magnetisierung etwa trapezförmig ausgebildet ist, also
mit einer praktisch konstanten Induktion im Bereich der Pole, und mit schmalen Pollücken
12, 13.
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In Fig. 1 sind die Stellen mit praktisch konstanter Induktion für
den Nordpol durch Schraffieren und für den Südpol mit g-rauer Farbe symbolisch angedeutet.
Der Rotor 11 ist als radial magnetisiertes permanentmagnetisches Teil, z.B. aus
Bariumferrit oder einem "Gummimagneten", ausgebildet. Fig. 1 zeigt den Rotor 11
in einer seiner beiden stabilen Ruhestellungen, die er bei stromlosem Zustand des
Motors einnehmen kann. Diese Ruhestellungen sind durch die Form des Luftspalts und
die Form der Magnetisierung bestimmt. in lt:riel) allrt der Rotor 11 in Richtung
des llei1ts 14.
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Der Stator 15 des Motors 10 ist als Doppel-T-Anker mit einem oberen
Pol 16 und einem unteren Pol 17 ausgebildet, welche beide etwa die Umrißform eines
Regenschirms haben, also jeweils fast den ganzen Polbogen umspannen, und welche
zwischen sich zwei Nuten 18 und 19 einschließen, in denen ein Wicklungsstrang 20
angeordnet ist, dessen Anschlüsse mit al und el bezeichnet sind.
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Ein Rotorstellungssensor 25, hier ein Hall-IC, ist in einer
Winkelstellung
am Stator 15 angeordnet, die etwa der Öffnung der Nut 18 entsPricht oder gegenüber
dieser Öffnung entgegen der Drehrichtung 14, also entgegen dem Uhrzeigersinn, um
einige Grade versetzt ist. Der Hall-IC 25 wird hier durch das Magnetfeld des permanentmagnetischen
Rotors 11 gesteuert und gibt abhängig von der Rotorstellung ein Signal ab, das entweder
hoch oder tief ist, also bei Drehung des Rotors 11 praktisch ein Rechtecksignal
darstellt, dessen hohe und tiefe Abschnitte jeweils etwa 180° lang sind. Wie Fig.
2 an dem gestrichelten Pfeil 71 zeigt, hat dieses Signal dort bei einer Betriebs
spannung UB von 48 V einen Spannungshub von etwa 0 V (Signal tief) bis etwa 0,6
V (Signal hoch).
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Der Luftspalt 26 über dem Statorpol 16 und der Luftspalt 27 über dem
Statorpol 17 sind in besonderer Weise ausgebildet. Ausgehend von der Nut 18 nimmt,
in Drehrichtung 14 gemessen, der Luftspalt 26 während etwa 10.. .150 monoton bis
zu einer ersten Stelle 30 zu, an welcher er sein Maximum erreicht. Von da an nimmt
der Luftspalt 26 über etwa 1700 monoton ab bis etwa zur Öffnung der Nut 19, wo er
einen Minimalwert dl erreicht. Der Luftspalt 27 hat, wie dargestellt, einen identischen
Verlauf. Diese Luftspaltform, im Zusammenwirken mit der beschriebenen Art der Magnetisierung
des Rotors 11, bewirkt im Betrieb das Entstehen eines Reluktanzmoments bestimmter
Form, wie das ausführlich in der DE - PS 23 46 380 beschrieben ist, auf die zur
Vermeidung von Längen verwiesen wird. -Naturgemäß kann statt eines Motors der in
Fig. 1 dargestellten Art auch ein Innenläufermotor, oder ein Flachmotor mit eisenlosem
Stator nach der DE - OS 22 39 167 verwendet werden, oder z.B. ein vierpulsiger,
zweisträngiger Motor, wie er im Bild 5 des Sonderdruckes aus asr-digest für angewandte
Antriebstechnik Rft 1 - 2/1977 dargestellt ist. Die Erfindung ist also in keiner
Weise auf die Ausführungsform der Fig. 1 beschränkt, ondern diese dient nur dazu,
rlii lr findung an <iriilnn konkrettul i3cispi(i I>i:;iclrr
verstärldlicl,
zu machen.
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Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, und zwar
eine Vollbrückenschaltung.
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Der als otorstellungssensor dienende Hall-IC 25 (der selbstverständlich
durch analoge Sensormittel ersetzt werden kann, z.B. durch einen optischen, induktiven
oder galvanischen Sensor), ist mit einem Anschluß direkt an eine Minusleitung 35
und mit dem anderen Anschluß über einen Widerstand 32 an eine Plusleitung 33 angeschlossen.
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Parallel zu ihm liegt eine Zenerdiode 34, welche die Spannung an ihm
z.B. auf 5 V konstant hält.
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Vom Pluspol + UB einer Betriebsspannungsquelle von z.B.
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48 V führt ein Schmelzwiderstand 38 und eine als Schutz gegen falschen
Anschluß dienende Diode 39 zur Plusleitung 33. Der Widerstand 38 ist so ausgelegt,
daß er bei einem Kurzschluß im Motor nach einigen Sekunden durchschmilzt und dadurch
ein Durchbrennen der Wicklung 20 verhindert.
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Der Ausgang 40 des Hall-IC 25 ist an die Basis eines npn-Transistors
70 angeschlossen, der als Trennverstärker dient und wie dargestellt den Spannungshub
71 am Ausgang 40 auf etwa 0...0,6 V begrenzt. Sein Emitter ist direkt mit der Minusleitung
35 verbunden, und sein Kollektor, an dem ein großhubiges Rotorstellungssignal verfügbar
ist, ist an ein Widerstands-Netzwerk 72 angeschlossen. Dieses enthält 3 Widerstände
73, 74 und 75. Der Widerstand 73 ist der Kollektorwiderstand des Transistors 70.
Der Widerstand 74 führt - üI,er einen Kondensator 50 - zur Basis eines pnp-Darlingtontransistors
47, und der Widerstand 75 führt - über einen Kondensator 52 - zur Basis eines npn-Darlingtontransistors
48;
Die zueinander komplementären Transistoren 47 und 48 bilden
die linke Brückenhälfte. Jeder Darlingtontransistor 47, 48 enthält einen Basis-Emitter-Ableitwiderstand
47' bzw. 48' und eine Freilaufdiode 47'' bzw. 48". Beide Transistoren sind in Emitterschaltung
geschaltet, d.h.
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der Emitter von 47 ist mit der Plusleitung 33 und der von 48 mit der
Minusleitung 35 verbunden, während die Kollektoren miteinander und mit dem Anschluß
el der Statorwicklung 20 verbunden sind.
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Die Kondensatoren 50 und 52 wirken als Verzögerungsglieder und verhindern,
daß die Transistoren 47 und 48 bei der Kommutierung gleichzeitig leitend werden.
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Ein Siebkondensator 55 liegt zwischen den Leitungen 33 und 35. Zwischen
Emitter und Kollektor der Transistoren 47 und 58 ist jeweils ein kleiner Kondensator
56 bzw.
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57 vorgesehen, um hochfrequente Schwingungen zu verhindern oder zu
reduzieren.
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Die rechte Brückenhälfte weist zwei in Kollektorschaltung geschaltete
Transistoren 61, 62 auf, nämlich einen npn-Darlingtontransistor 61 und einen pnp-Darlingtontransistor
62, welche zueinander komplementär sind und jeweils einen Ableitwiderstand 61' bzw.
62' und Freilaufdioden 61'' bzw. 62'' aufweisen. Der Kollektor des Transistors 61
ist an die Plusleitung 33, der Kollektor des Transistors 62 an die Minusleitung
35 angeschlossen. Die Emitter der Transistoren 61 und 62 sind miteinander verbunden;
ihr Verbindungspunkt ist mit 77 bezeichnet. Von diesem Punkt 77 führt ein PTC-Widerstand
78 zuM Anschluß al der Statorwicklung 20. Die Ba.;en der Transistoren 61 Iind 62
sind miteinander und mit dem Kollektor des Transistors 70 verbunden. Dieser Kollektor
ist mit Vorteil über einen kleinen Kondensator 48, z.B. 100 pF, mit der Basis verbunden.
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Die Transistoren 61 und 2 bilden also zusammen eine Spannungsfolgerschaltung,
d.h. das Potential am Verbindungspunkt 77 folgt direkt - ohne Phasenumkehr - dem
Potential am Kollektor des Transistors 40, also dem Rotorstellungssignal. Wird dieser
Kollektor hoch, z.B. + 46 V, so wird auch der Punkt 77 hoch, und wird das Potential
am Kollektor des Transistors 70 niedrig, z.B. O V, so wird auch der Punkt 77 niedrig.
Fließt kein Strom vom oder zum Verbindungsglied 77, so ist auch der Strom in den
Transistoren 61 und 62 nur sehr klein, und zwar unabhängig vom jeweiligen Rotorstellungssignal
am Kollektor des Transistors 70.
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Während also ein niedriges Potential am Ausgang 40 bedeutet, daß der
Transistor 47 leitend wird und damit der Anschluß el ein hohes Potential annimmt,
bedeutet ein niedriges Potential am Punkt 40 auch ein niedriges Potential am Verbi!dunqspunkt
77, weil hierbei der Transistor 62 Leitend wird. '30 daß in diesem Fall ein Strom
von el nach .ll fließt. Umcekehrt illit bei einem hohen Potential am Ausgang 40
ein Strom von al nach el, da dann die Transistoren 48 und 61 leitend werden. Anders
gesagt: Die Transistoren 47 und 48 bewirken eine Phasenumkehr des vom Kollektor
des Transistors 70 kommenden Signals, nicht aber die Transistoren 61 und 62, so
daß also die für die Ansteuerung der Vollbrücke erforderliche Phasenumkehr in die
Vollbrücke 60 selbst verlegt ist und diese mit einem einzigen Steuersignal (gleichtaktig)
angesteuert werden kann, also eine Gleichtakt-Vollbrücke darstellt.
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Zur Beschreibung der Wirkungsweise bei normalem Betrieb wird auf die
ausführliche Erläuterung im Hauptpatent 30 22 836 verwiesen, um unnötige Längen
zu vermeiden.
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Wird der Motor durch ein äußeres Hindernis stark gebremst, z.B. wenn
- beim Betrieb in einem Lüfter -ein Fremdkörper in den Lüfter geraten ist, so erhöht
sich der Strom in der Statorwicklung 20 sehr stark, und der PTC-Widerstand 78 wird
aufgeheizt und erhöht seinen Widerstandswert so stark, daß der Strom in der Wicklung
20 auf etwa 20 % des normalen Wertes zurückgeht. Der Motor kommt dann zum Stillstand.
Durch die Kondensatoren 50, 52 wird in diesem Falle der Motor vollends stromlos,
da bei stehendem Motor das Potential am Kollektor des Transistors 70 invariabel
wird und die Kondensatoren 50, 52 Gleichspannungen nicht übertragen können. Sollte
einer der Kondensatoren 50, 52 defekt sein, so wird auf jeden Fall der Strom in
der Wicklung 20 durch den PTC-Widerstand 78 auf einen unge£ähr1ichn Wert begrenzt.
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Dabei ist wichtig, daß durch die Aktivierung des PTC-Widerstands 78
die Steuerspannungen für die verschiedenen Transistoren in keiner Weise beeinflußt
werden, so daß diese auch dann normal ausgesteuert werden, wenn der Motor nur noch
sehr langsam läuft oder sogar zum Stillstand gekommen ist. Vor allem die Leistungstransistoren
47, 48, 61, 62 werden also durch diese Maßnahme sehr effektiv gegen Überlastung
geschützt.
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Es ist besonders darauf hinzuweisen, daß die vorliegende Schaltung
auch dann gegen Üterlustung und/oder Blockieren richtitzt., wenn keine BLocklersictlerullgainlaßrlahmen
in Form der Kondensatoren 50, 52 vorgesehen sind.
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Sollten z.B. die Transistoren 47 und 48 defekt werden, so schmilzt
der Schmelzwiderstand 38 urdschützt den Motor vor Zerstörung.
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Fig. 3 zeigt schematisch die Anwendung der Erfindung bei
einer
Halbbrückenschaltung. Diese benötigt eine positive Spannungsquelle plus UB, eine
negative Spannungsquelle minus UB, und einen Nullanschluß 80 (Masse).
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Die Statorwidlung 20 ist mit ihrem einen Anschluß el an Masse 80 angeschlossen,
mit dem anderen Anschluß al an den PTC-Widerstand 78, der seinerseits mit dem Verbindungspunkt
81 der Kollektoren eines pnp-Transistórs 82 und eines npn-Transistors 83 verbunden
ist. Der Emitter des Transistors 82 ist an + UB geführt, der des Transistors 83
an - UB.
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Der Hall-IC 25 steuert über eine sogenannte Auswahlschaltung 85 die
beiden Transistoren 82 und 83 mit gegeneinander versetzten Steuersignalen 86 und
87 so , daß die.
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Transistoren 82 und 83 alternierend, aber niemals gleichzeitig, leitend
werden. Man erhält dadurch einen alternierenden Stromfluß in der Statorwicklung
20.
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Auch hier erwärmt sich bei Überlastung oder Blockieren des Motors
der PTC-Widerstand 78 und reduziert die Stromzufuhr zur Wicklung 20, ohne die Höhe
oder Dauer der Signale 86 oder 87 zu beeinträchtigen, so daß in einem solchen Fall
die Leistungstransistoren 82, 83 nicht gefährdet werden, aber gleichz-eitig die
Gefahr einer Beschädigung der Wicklung 20 oder der sie speisenden Transistoren gebannt
ist.
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Auch hier kann - wie bei Fig. 2 - ein zusätzlicher Schmelzwiderstand
und eine Falschpoldiode (dort Teile 38 und 39) vorgesehen werden.
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lig. 4 zeit in Form eins Biockschaltbilds ein drittes Ausführungsbeispiel
der Erfindung in Form einer Vollbrückenschaltung. Hierzu kann im übrigen ergänzend
auf die DE - OS 30 44 056 hingewiesen werden.
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Eine Betriebsspannungsquelle U=, z.B. eine Batterie eines Fahrzeugs
oder eines Postamts, hat eine Spannung, die gewöhnlich zwischen 12 und 110 V liegt.
An ihren Minuspol ist über den Schmelzwiderstand 38 und die Schutzdiode 39 die Minusleitung
35 angeschlossen, und an den Pluspol die Plusleitung 33.
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Zur StromversorgungXder gesamten Steuerelektronik des Motors 10 dient
eine Spannungsstabilisierschaltung 90, die eine stabilisierte, niedrige Ausgangsspannung
Ustab von z.B. 5 V liefert. Dies hat den Vorteil, daß man den Kommutierbaustein,
der in Fig. 4 mit 91 bezeichnet ist, für Motoren verschiedener Betriebsspannung
verwenden kann. Der Kommutierbaustein 91 ist wie dargestellt an Ustab angeschlossen
und steuert die Vollbrückenschaltung des Motors 10, welche an der vollen Betriebsspannung,
also den Leitungen 33 und 35, liegt.
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In Fig. 4 sind vom Motor 10 nur die Wicklung 20 und der Rotor 11 dargestellt.
Die Wicklung 20 wird in einer Vollbrückenschaltung 92 betrieben, welche vier Halbleiterschalter
93, 94, 95 und 96 aufweist, die jeweils nur schematisch dargestellt sind und zu
denen jeweils eine Freilaufdiode 97 bis 100 parallelgeschaltet ist. Im Betrieb werden
alternierend einmal die Halbleiterschalter 93 und 96 geschlossen, und dann die Halbleiter
schalter 94 und 95, also jeweils diagonal gegenüberliegende Halbleiterschalter.
Zur Ansteuerung dienen Treiberelemente 103 (für die Halbleiter schalter 93 und 96)
und 104 (für die Halbleiterschalter 94 und 95).
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Der Kommutierbaustein 91 enthält eine vom Rotor 11 betätigte (Wirkverbindung
107) Rotorstellungs-Sensoranordnung 108, welche den in Fig. 1 dargestellten Hall-IC
25 enthält und an ihren Ausgängen jeweils Rechteckimpulse mit einem Tastverhältnis
m von etwa 50 % liefert, d.h. diese Impulse
sind etwa gleich lang
wie die Pausen zwischen ihnen. Fig. 4 zeit diese Impulse an den Ausgängen 109 und
110 der Anordnung 108. Diese Impulse sind in der Form etwa identisch, aber gegeneinander
um den Winkel alpha versetzt. Diese Impulse werden zwei konjunktiven Gliedern zugeführt,
hier einem UND-Glied 113 und einem NAND-Glied 114, und diese erzeugen an ihren Ausgängen
115 und 116 Steuerimpulse 117 bzw. 118, die jeweils voneinander durch zeitliche
Abstände alpha getrennt sind. So erreicht man, daß in der Wicklung 20 stets der
Strom in der einen Richtung abgeklungen ist, bevor der Strom in der Gegenrichtung
einsetzt.
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Bei den Impulsen 117 und 118 handelt es sich im wesentlichen um digitale
Impulse, welche die Halbleiterschalter 93 bis 96 voll durchsteuern. Wegen des Innenwiderstands
der Wicklung 20 könnten beim Anfahrvorgang zu hohe Ströme in dieser Wicklung fließen,
solange die vom Rotor 11 erzeugte Gegen-EMK noch nicht genügend groß ist, sofern
der Innenwiderstand der Wicklung 20 niedrig ist.
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Bevorzugt wird deshalb der Innenwiderstand der Wicklung 20 nicht zu
klein gewählt. Außerdem liegt in Reihe mit ihr der PTC-Widerstand 78, der ebenfalls
den Einschaltstrom etwas reduziert.
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Sofern der Rotor 11 blockiert oder stark gebremst wird, steigt der
Strom in der Wicklung 20 stark an, so daß sich der Widerstand 78 erhitzt und den
Strom in der Wicklung 20 auf einen ungefährlichen Wert begrenzt, z.B. 10...20 des
Nennstromes.
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Hierbei bleibt die Ausgangsspannung Stab des Stabilisators 90, also
z.B. 5 V, unverändert, so daß die Treiberelemente 103, 104 nach wie vor dieselben
Steuerströme abgeben und die llalbleiterschalter 93 bis 96 (Leistungstransistoren
oder
dergleichen) weiterhin voll durchsteuern, so daß diese nicht überlastet werden können.
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Auf diese Weise wird ein solcher Motor sehr sicher vor Überlastung
geschützt. Außerdem kann - auch ohne die Strombegrenzungsschaltung, wie sie die
DE - OS 30 44 056 zeigt - der Einschaltstrom selbst bei Motoren höherer Leistung
gut beherrscht werden, ohne daß dadurch eine wesentliche Verschlechterung des Wirkungsgrades
eintritt.
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