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Elektronikmotor für den Antrieb insbesondere zahn-
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ärztlicher Werkzeuge Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektronikmotor
für den Antrieb insbesondere zahnärztlicher Werkzeuge, mit einem Permanentmagnetläufer
und einer dreiphasigen Ständerwicklung, die in einer geschalteten Vollbrücke betrieben
wird, sowie mit drei binär schaltenden Gebern, vorzugsweise opto-elektronischen
Gebern, die zueinander um jeweils 600 bzw. 1200 phasenverschoben angeordnet sind
und im 180°-Takt arbeiten.
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Definition und Aufbau eines solchen Elektronikmotors werden beispielsweise
in dem Aufsatz "Elektronikmotoren - permanent erregte Gleichstrommotoren ohne Kollektor
von W. Engel behandelt, wobei bezüglich der Lagemelder für die Bestimmung der Läuferstellung
zwar auf optischelektronisch oder auch induktiv arbeitende Geber hingewiesen, in
konkreten Ausführungsbeispielen jedoch der Aufbau eines solchen Elektronikmotors
mit Hallgeneratoren sowie mit Feldplatten näher erläutert wird.
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Ein weiteres Beispiel eines Elektronikmotors mit einer durch Hallgeneratoren
gesteuerten elektronischen Kommutierungseinrichtung ist in der DE-AS 24 03 432 aufgezeigt;
die Schalttransistoren sind dort jedoch nicht als Vollbrücke geschaltet, vielmehr
liegen dort die Wicklungen gegen Masse an.
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Die Verwendung von Hall sonden als Signalgeber, deren analoge Signale
die Endstufen mit den Schalttransistoren entweder direkt oder elektronisch aufbereitet
ansteuern, hat insbesondere bei Anwendung in der Dentaltechnik gewisse Nachteile.
So sind die Hallsonden relativ temperaturabhängig. Ein Faktum, das sich wegen der
relativ starken Erwärmung der Motoren sehr negativ auswirkt. Die mit den Hallsonden
erzielbaren Spannungen sind außerdem relativ klein, so daß bei dem in der Regel
gemeinsamen Anschlußkabel durch Leitungen, die die Motorleistung übertragen, Störungen
auftreten können.
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Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß die Hallspannung mit
einem Spannungs-offset gegen Masse belastet ist, die, weil diese Offset-Spannung
wiederum temperaturabhängig ist, unerwünscht ist. Ilauptprolulem ist jedoch,das
Auftreten der 3. Harmonischen (zweite Oberwelle) zu vermeiden, weil durch diese
unerwünschte Oberwellen, die hier beim Motor besonders hohe Amplituden haben können,
die Verlustleistung erhöht und damit der Wirkungsgrad des Motors verschlechtert
wird.
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Außerdem führen die Blindströme zu einer unnötigen Erwärmung und Belastung
der Endstufe.
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Zur Vermeidung dieser Nachteile wird ein Elektronikmotor der eingangs
genannten Gattung vorgeschlagen, bei dem erfindungsgemäß eine Logikschaltung vorhanden
ist, welche die drei Gebersignale in sechs Ansteuersignale umformt, mit denen sechs
paarweise den Wicklungen zugeordnete Schalttransistoren so angesteuert werden, daß
die Transistorpaare während des EMK-Nulldurchganges während 600 nicht leitend sind,
wobei die nichtleitende Phase der Transistorpaare gegeneinander um i20 verschoben
ist.
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Besondere Vorteile der Erfindung liegen unter anderem darin, daß wegen
der geringeren Verlustleistung keine besonderen Kühlmaßnahmen für die Endstufe vorgesehen
zu werden brauchen.
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Als binär schaltende Geber können z.B. Lichtschranken oder schaltende
Magnetgeber (Hallsonden mit integrierter Schaltung) vorgesehen werden. Die vorgeschlagene
Logikschaltung ist so aufgebaut, daß der Motor bereits im Stillstand Drehmoment
erhält, was bei induktiven Signalgebern nicht der Fall ist; hier müssen meist noch
zusätzliche Maßnahmen geschaffen werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei Spiels
näher erläutert.
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Es zeigen: Figur 1 die Anordnung der Signalgeber in einem Elektronikmotor
in schematischer Darstellung, Figur 2 die vorgeschlagene Logikschaltung zur Verarbeitung
der Signale, Figur 3 bis 6 Diagramme zum Signalablauf.
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Anhand der Figur 1 soll in vereinfachter Darstellung die Anordnung
der Signalgeber aufgezeigt werden. Der hier im Querschnitt dargestellte Elektronikmotor
1 enthält einen Permanentmagnetläufer 2. Mit der Motorwelle gekuppelt ist eine Scheibe
3, auf der eine Blende 4 befestigt ist, die den Lichtstrom einer aus einer lichtemittierenden
Diode 5 und einem Fototransistor 6 bestehenden Lichtschranke periodisch unterbricht.
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Diode 5 und Fototransistor 6 bilden also einen optoelektronischen
Geber (G). Über den Umfang gesehen sind
drei solcher optoelektronischer
Geber G 1 bis G ) angeordnet, vorzugsweise, wie aufgezeichnet, in einem Winkelabstand
von 120° zueinander.
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Aus Figur 2 geht hervor, daß die von den drei Signale gebern G 1 bis
G 3 ausgehenden Signale jeweils einem Inverter I 1 bis I 3 sowie teils direkt den
Eingänge von UND-Gattern UG 1 bis UG 6 zugeführt werden. Der Ausgang dieser UND-Gatter
führt zu Verstärkern V 1 bis V 6, mit denen die Transistoren T 1 bis T 6 angesteuert
werden. Die Transistoren T 1 bis T 6 liegen paarweise mit ihren Kollektoren am einen
Ende der Motorwicklungen W 1 bis W 3, die hier in Stern geschaltet sind. Die Ständerwicklung
wird in einer geschalteten Vollbrücke betrieben, d.h. die Wicklungen sind so geschaltet,
daß sie in beiden Richtungen durchflutet werden können; die Wicklungen liegen also
nicht an einer gemeinsamen Masse an.
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Die Figur 3 gibt den Signalverlauf der drei opto-elektlonischen Signalgeber
G i bis G 3 wieder. Aus der Drstellung ist ersichtlich, daß die Geber im 1800-Takt
arbeiten und um 1200 phasenverschobene Signale lief'ciii.
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Am Ausgang der Gatter UG 1 bis UG 6 liegen die Signale gemäß Figur
4 an. Die drei Gebersignale gemäß Figur 3 werden also in sechs Ansteuersignale umgeformt,
die dann die sechs Transistoren T 1 bis T 6 so ansteuern, daß zu jedem Zeitpunkt
alle Wicklungen durchflutet werden. Durch die Signalform am Ausgang der Gatter UG
1 bis UG 6, die einem Tastverhältnis von 2 : 1 pro Halbperiode entspricht, wird
bei drehendem Motor die 3. Harmonische unterdrückt. Aus Figur 4 ist ersichtlich,
daß die sechs Schalttransistoren T 1 bis T 6 fiir jeweils 1200 leitend sind und
die Transistorpaare; also
T 1/T 2; T 3/ T 4; T 5/T 6 während des
EMK-Nulldurchganges während 600 nichtleitend sind. Daraus gebt hervor, daß immer
ein Transistorpaar nichtleitend ist.
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Aus der Darstellung gemäß Figur 4 ist außerdem erkennbar, daß die
nichtleitende Phase der Transistorpaare gegeneinander um 120° verschoben ist.
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Die Figur 5 zeigt den an den Punkten P 1, P 2 und P 3 der Ständerwicklung
W 1 bis W 3 sich einstellenden Spannungsverlauf; die Figur 6 den Spannungsverlauf
zwischen den Punkten P i, P 2 einerseits und P 2, P 3 andererseits. Dieser Spannungsverlauf
kann mit Hilfe eines Differenzverstärkers auf dem Oszilloskop oder Oszillographen
dargestellt werden. Die Spannung Ux ist jeweils gemessen zwischen +UB und -UB. Die
Spannungsbetrachtung für die Punkte P 1 bis P 3 entspricht einer theoretischen Betrachtung,
weil an sich die Wicklungen nicht gegen Masse anliegen. Die Nullinie würde der nichtleitenden
Phase entsprechen.
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Durch die mechanische Zuordnung der drei Geber G i bis G 3 sind die
Phasenbeziehungen zwischen den einzelnen Signalen vorgegeben. Bei einer mechanischen
Anordnung der drei Geber im 600-Versatz kann durch eine entsprechende Änderung der
elektronischen Schaltung (Invertierung) des mittleren Gebers eine 120 0-Phasenbeziehung
auf elektronischem Wege erzielt werden. Dabei wird dann die gleiche Signalbeziehung,
wie in Figur 3 aufgezeigt, gebildet. Anstelle von drei Gebern kann auch eine einem
ganzzahligen Vielfachen von drei entsprechende Anzahl von Gebern, z.B. sechs, vorgesehen
werden.
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1 Patentanspruch 6 Figuren
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