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Anordnung zur elektronischen Kommutierung
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eines bürstenlosen Gleichstrommotors Die Erfindung betrifft eine
Anordnung zur elektronischen Kommutierung eines bürstenlosen Gleichstrommotors,
der einen Ständer mit einer zweisträngigen Ständerwicklung, einen wenigstens zweipolig
magnetisierten permanentmagnetischen Läufer und als Läuferstellungssensor einen
Hall-Effekt-Schalter besitzt.
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Derartige Anordnungen sind bekannt (DE-OS 30 10 435).
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Die bekannte Anordnung besitzt zwei Ständerwicklungsstränge, welche
abwechselnd über einen Schalter an eine Spannungsquelle gelegt werden, so daß in
ihnen ein Stromfluß erfolgt. Die Ständerwicklungsstränge werden in der Weise mit
der Spannungsquelle verbunden, daß für eine Drehung des Läufers von 0 bis 180 Grad
der eine Ständerwicklungsstrang und für die Drehung des Läufers von 180 bis 360
Grad der andere Ständerwicklungsstrang mit der Spannungsquelle verbunden wird. Als
Schalter werden üblicherweise die Kollektor-Emitter-Strecken von Schalttransistoren
verwendet.
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Die vorstehend beschriebene Anordnung wird als unipolare Steuerung
des Motors bezeichnet.
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Es sind aber auch Anordnungen bekannt, welche entweder nur einen Wicklungsstrang
besitzen oder bei denen die beiden Wicklungsstränge parallel geschaltet sind und
im Diagonalzweig einer aus vier Schalttransistoren bestehenden Brükkenschaltung
angeordnet sind. Die Transistoren bei dieser bekannten Anordnung werden in der Weise
leitend gesteuert, daß für eine Drehung des Läufers von 0 bis 1800 der Wicklungsstrang
bzw die Wicklungsstränge in der einen Richtung und für die Drehung von 1800 bis
3600 in der anderen Richtung vom Strom durchflossen wird bzw. werden. Diese bekannte
Anordnung wird als bipolare Ansteuerung des Motors bezeichnet.
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Bei diesen Anordnungen ist es erforderlich, daß die Umschaltung von
einem Wicklungsstrang auf den anderen bzw.
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die Umschaltung der Stromrichtung im Wicklungsstrang exakt in Abhängigkeit
von der Läuferstellung erfolgt. Als LäufersteLlungssensor wird bei den bekannten
Anordnungen ein Hall-Effekt-Schalter verwendet, das ist ein elektrisches Bauelement,
welches aus einem Hallgenerator mit integriertem Verstärker für die vom Hallgenerator
erzeugten Hallspannung besteht.
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Da für den Betrieb der bekannten Anordnungen mit gleichartigen Transistoren
jedoch zwei komplementäre Steuersignale erforderlich sind, ist es bekannt, aus dem
Ausgangssignal des Hall-Effekt-Schalters in einer Inverterstufe ein komplementäres
Steuersignal zu erzeugen.
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Es hat sich jedoch herausgestellt, daß bei den bekannten Anordnungen
die Symmetrie der beiden Steuersignale sehr stark vom jeweiligen Belastungszustand
des Motors abhängt. Die Unsymmetrie der Steuersignale führt zu unterschiedlichen
Strömen
in den Wicklungssträngen und somit zu unterschiedlichen, von den Wicklungssträngen
erzeugten Magnetfeldern.
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Dadurch werden die Laufeigenschaften des Motors nachteilig beeinflußt,
d.h. es entstehen Laufgeräusche und eine stärkere Lagerbeanspruchung beim Motor
sowie eine ungleichmäßige Erwärmung der Transistoren. Insgesamt kann dies eine Verschlechterung
des Wirkungsgrades und das vorzeitige Ausfallen des Motors zur Folge haben.
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Es gibt noch eine weitere Unzulänglichkeit, welche bei den bekannten,
bipolar gesteuerten Gleichstrommotoren auftritt Bei dieser bekannten Anordnung ist
es erforderlich, daß immer nur zwei Transistoren leitend gesteuert sind, während
die beiden anderen Transistoren gesperrt sein müssen. Um das sicher zu gewährleisten,
ist ein größerer schaltungstechnischer Aufwand erforderlich, welcher verhindert,
daß der Motor entweder wegen der Kosten und/oder wegen des erforderlichen größeren
Platzbedarfs nicht verwendet werden kann.
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Sollte es vorkommen, daß nicht ständig nur jeweils zwei Transistoren
leitend geschaltet sind, sondern daß beim Umschalten von einer Stromrichtung in
den Wicklungssträngen des Ständers auf die andere sämtliche Transistoren leitend
gesteuert sind, dann würde die Spannungsquelle kurzgeschlossen, welches in kürzester
Zeit zur Zerstörung der Transistoren führen würde Der Erfindung liegt daher die
Aufgabe zugrunde, die bekannte Anordnung in der Weise zu verbessern, daß die Steuersignale
sehr genau symmetrisch zueinander sind und dies mit einer einfachen, weniger Kosten
als bei der bekannten Anordnung verursachenden elektronischen Schaltung erzielt
wird.
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Außerdem soll eine Lösung dafur angegeben werden, daß bei einem elektronisch
kommutierten Motor mit bipolarer Ansteuerung eine Leitendsteuerung aller Transistoren
und damit ein Kurzschluß der Spannungsquelle sicher vermieden wird.
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Eine Lösung der ersten Aufgabe besteht darin, daß zwei Hall-Effekt-Schalter
vorgesehen sind, welche derart am Ständer angeordnet sind, daß sie komplementäre
Steuersignale liefern.
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Eine andere Lösung der ersten Aufgabe besteht darin, daß der Hall-Effekt-Schalter
aus einem Hallgenerator mit einem integrierten, zwei Steuersignale liefernden Verstärker
besteht.
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Die Aufgabe, den Kurzschluß der Spannungsquelle bei der elektronischen
Kommutierung zu verhindern, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der eine Magnetpol
am Umfang des Läufers eine geringfügig größere Länge als der andere Magnetpol aufweist.
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Die Erfindung ist nachstehend anhand der in den Figuren 1 bis 6 gezeigten
Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen: Fig 1 die Erfindung bei einer Anordnung
zur elektronischen Kommutierung eines bürstenlosen Gleichstrommotors mit unipolarer
Steuerung, Fig. 2 die Erfindung bei einer Anordnung zur elektronischen Kommutierung
eines bürstenlosen Gleichstrommotors mit bipolarer Steuerung,
Fig.
3 den Querschnitt einer Ausführungsform des Ständers mit einer Anordnungsmöglichkeit
der Hall-Effekt-Schalter, Fig. 4 eine andere Anordnungsmöglichkeit der Hall-Effekt-Schalter
Fig. 5 eine weitere Anordnungsmöglichkeit der Hall-Effekt-Schalter und Fig. 6 Ständer
und Permanentmagnet des Läufers bei einer erfindungsgemäßen Anordnung Fig. 1 zeigt
eine Schaltungsanordnung für die elektronische Kommutierung eines bürstenlosen Gleichstrommotors,
dessen beiden Wicklungsstränge W1 und W2 unipolar gesteuert werden. Zu diesem Zweck
sind die beiden Schalttransistoren T1 und T2 vorgesehen, in deren Kollektorzweigen
die beiden Wicklungsstränge angeordnet sind. Die komplementären Steuersignale für
die Transistoren werden von dem Hall-Effekt-Schalter HS1 und HS2 erzeugt, deren
ein Anschluß, ebenso wie die Basiswiderstände R2 und R3, am positiven Potential
der stabilisierten Spannung liegt, deren Höhe von der Zenerdiode ZD1 und dem Widerstand
R1 bestimmt wird. Zwei antiparallel geschaltete Zenerdioden ZD2 und ZD3 leiten während
der Sperrzeit der Transistoren die in den Wicklungssträngen W1 und W2 gespeicherte
Energie ab bzw. begrenzen die hohen Sperrspannungen an den Transistoren. Der Elektrolytkondensator
C1 dient als Speicherkondensator; er wird von den beim Kommutieren entstehenden
StromimpuLsen geladen und verhindert Funkstörungen. Die Diode D1 dient als Schutzdiode,
damit bei einem versehentlichen Vertauschen der Anschlüsse keine Beschädigung der
Bauelemente eintritt.
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Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Transistoren
T1 und T2 vom gleichen Leitungstyp, d.h.
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npn- oder pnp-Transistoren. Es können für die Transistoren T1 und
T2 natürlich auch Transistoren unterschiedlichen Leitungstyps verwendet werden.
In diesem Fall müssen die Hall-Effekt-Schalter HS1 und HS2 natürlich gleiche Steuersignale
liefern.
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Die Verwendung der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 gestattet den
Betrieb eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors für kleine Leistungen
mit dem geringsten Aufwand und Raumbedarf.
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Fig. 2 zeigt eine Schaltungsanordnung für die elektronische Kommutierung
eines bürstenlosen Gleichstrommotors, dessen beiden Wicklungsstränge bipolar gesteuert
werden.
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Die Bestromung der Wicklungsstränge W1 und W2 wird mit vier npn-Leistungstransistoren
geschaltet, die derart angeordnet sind, daß sie zusammen mit den Wicklungssträngen
W1 und W2 eine Brückenschaltung bilden.Die Hall-Effekt-Schalter HS1 undHS2 erzeugen
in Abhängigkeit von der Läuferstellung zwei zueinander komplementäre Steuersignale,
welche die Transistoren T1 bis T4 in der Weise steuern, daß stets zwei Transistoren
(z.B. T1 und T2) leitend und zwei Transistoren (z.B. T3 und T4) gesperrt gesteuert
sind. Es sind stets die Transistoren leitend gesteuert, an denen eine positive Basisspannung
anliegt. Von den vier npn-Transistoren T1 bis T4 werden die Transistoren T1 und
T4 in Kollektorschaltung und die Transistoren T2 und T3 in Emitterschaltung betrieben.
Daher sind die Basisanschlüsse der Transistoren unterschiedlich beschaltet. Der
Basis von Tl und T4 wird die Steuerspannung der Hall-Effekt-Schalter HS1 und HS2
direkt zugeführt, während der Basis von T2
und T3 der Widerstand
R4 bzw. R5 vorgeschaltet ist.
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Die Funktion der übrigen in der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 enthaltenen
Bauelemente entspricht denjenigen der entsprechenden Bauelemente gemäß Fig. 1.
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Im Gegensatz zu bekannten Schaltungsanordnungen gestattet die Schaltungsanordnung
gemäß Fig. 2 den Betrieb eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors für höhere
Leistung mit sehr geringem Aufwand an Bauelementen und kleinstem Raumbedarf für
die Elektronik.
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Die Figuren 3 bis 5 zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele für die
Anordnuna der Hall-Effekt-Schalter am Ständer des bürstenlosen Motors. Der aus den
Figuren 3 und 4 erkennbare Ständer besitzt das Jochpaket 1 und die Polpakete 2.
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An der Grenze zwischen den Polpaketen 2 und dem Jochpaket 1 sind die
Wicklungsstränge W1 und W2 angeordnet.
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Bei dem aus Fig. 3 ersichtlichen Ausführungsbeispiel sind die Hall-Effekt-Schalter
HS1 und HS2 diametral gegenüber in den Pol lücken zwischen den Polpaketen 2 in der
Weise angeordnet (flache Seite der Hall-Effekt-Schalter dem permanentmagnetischen
Läufer zugewandt), daß jeweils ein am Hall-Effekt-Schalter vorbeibewegter magnetischer
Nordpol ein Steuersianal erzeugt.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 sind die beiden Hallelemente
HS1 und HS2 in der gleichen Pol lücke nebeneinander angeordnet, und zwar der Hall-Effekt-Schalter
HS1 so, daß ein vorbeibewegter magnetischer Südpol ein Steuersignal erzeugt (runde
Seite des Hal lelements dem Läufer zugewandt) und der Hall-Effekt-Schalter HS2 so,
daß ein vorbeibewegter magnetischer
Nordppl ein Steuersignal erzeugt
(flache Seite des Hall-Effekt-Schalter dem Läufer zuaewandt).
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Wie Fig. 5 verdeutlicht, können die Hall-Effekt-Schalter HS1 und HS2
in der Pol lücke auch hintereinander angeordnet sein.
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Fig. 5 entspricht dabei einer Draufsicht auf den Ständer gemäß Fig.
4 in Richtung des Pfeiles A.
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Bei der Beschreibung der Ausführungsbeispiele ist bisher davon ausgegangen
worden, daß es sich bei dem Hall-Effekt-Schalter um ein Bauelement handelt, das
einen Hallgenerator und einen mit diesem integrierten Spannungsverstärker enthält.
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Anstelle der beiden Hall-Effekt-Schalter HS1 und HS2 kann natürlich
auch ein Hall -Effekt-Schalter verwendet werden, der aus einem Hallgenerator und
zwei mit diesem integrierten'Spannungsverstärkern besteht, welche entweder zwei
gleiche oder zwei zueinander komplementäre Steuerspannungen erzeugen.
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Ein Hall-Effekt-Schalter mit zwei gleichen Steuersignalen am Ausgang
könnte beispielsweise für eine Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 verwendet werden,
wenn für T1 und T2 komplementäre Transistoren verwendet werden.
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Anhand der Fig. 6 ist eine Lösung für folgendes technische Problem
erläutert: Bei den bekannten elektronisch kommutierten Gleichstrommotoren, beispielsweise
einem Außenläufermotor mit permanentmagnetischem Läufer, besitzen die beiden Magnetpole
genau die gleiche Länge. Beim Betrieb eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors
mit einer Steuerschaltung gemäß Fig. 2 kann es daher vorkommen, daß ein Transistorpaar,
beispielsweise T1 und T2 noch nicht gesperrt ist, wenn das andere Transistorpaar
(T3 und T4) bereits leitend gesteuert ist. Es können somit - wenn auch nur kurzzeitig
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samtliche Transistoren leitend gesteuert sein. Dadurch wird aber
die Spannungsquelle kurzgeschlossen und in den Transistoren fließen hohe Ströme,
welche die Transistoren zerstören können.
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Es ist daher Sorge dafür zu tragen, daß das eine Transistorpaar erst
dann leitend gesteuert wird, wenn das andere gesperrt ist. Dieser Vorgang wird als
Verriegelung bezeichnet.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 wird diese Verriegelung dadurch
erzielt, daß der eine Magnetpol am Umfang des Läufers eine geringfügig größere Länge
als der andere Magnetpol aufweist.
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Fig. 6 zeigt von einem elektronisch kommutierten Außenläufer-Gleichstrommotor
außer dem Ständer mit den Wicklungssträngen W1 und W2 und den Hall-Effekt-Schalter
HS1 und HS2 auch den zweipoligen Permanentmagneten 3 des Außenläufers.
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Bei dem in Fig. 6 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Nordpol des
Permanentmagneten 3 länger als sein Südpol.
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Die Hall-Effekt-Schalter HS1 und HS2 sind derart am Ständer angeordnet,
daß sie bei einem Nordpol in der Nähe kein Steuersignal und bei einem Südpol in
der Nähe ein Steuersignal liefern.
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Bei der aus Fig. 6 ersichtlichen Stellung des Läufers 3 liefern die
Hall-Effekt-Schalter HS1 und HSZ kein Steuersignal.
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Das bedeutet, daß bei einer Kommutierungsschaltung gemaß Fig. 2 alle
Transistoren T1 bis T4 gesperrt sind.
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Wenn sich der Läufer 3 im Uhrzeigersinn weiterbewegt, dann gelangt
HS1 in den Einfluß des Südpols. HS1 Liefert ein Steuersignal; die Transistoren T1
und T2 werden
leitend. Die Transistoren T3 und T4 bleiben gesperrt.
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Wenn der Läufer weiterläuft und nahezu eine halbe Umdrehung ausgeführt
hat, dann gelangt HS1 in den Einfluß des Nordpols bevor HS2 in den Einfluß des Südpols
gelangt. Dadurch werden die Transistoren T1 und T2 gesperrt bevor die Transistoren
T3 und T4 leitend werden. Auf diese Weise wird eine einfache Verriegelung erreicht.
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