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Die Erfindung betrifft einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit einem
dauermagnetischen Läufer, einem Ständer mit Ständerspulen, die zwischen
Speiseleitungen geschaltet sind, sowie einer Kommutationsschaltung zum zyklischen
Verbinden und Entkoppeln der Speiseleitungen bei einer Gleichspannungsquelle mit
Hilfe von durch Läufermagnetfelder gesteuerte Schalteinrichtungen, wobei jede
Schalteinrichtung eine Reihenschaltung eines ersten und eines zweiten
Elektronikschalters enthält, und die Reihenschaltung zwischen der positiven und der
negativen Klemme der Gleichspannungsquelle anschließbar ist, jede Schalteinrichtung
außerdem ein magnetfeldempfindliches Element zum Detektieren des Läufermagnetfelds
und eine Steuerschaltung zum Öffnen der ersten und zweiten Schalter abhängig von dem
vom magnetfeldempfindlichen Element detektierten Magnetfeld enthält, und beim
Gleichstrommotor jede der Speiseleitungen mit jedem der Knotenpunkte des ersten und
des zweiten Schalters einer genannten Reihenschaltung verbunden ist.
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Außerdem bezieht sich die Erfindung auf eine Schalteinrichtung mit einer
Reihenschaltung aus einem ersten und einem zweiten Elektronikschalter, einem
magnetfeldempfindlichen Element zum Detektieren eines Läufermagnetfelds, und einer
Steuerschaltung zum Öffnen der ersten und zweiten Schalter abhängig von dem vom
magnetfeldempfindlichen Element detektierten Magnetfeld.
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Ein derartiger Gleichstrommotor und eine solche Schalteinrichtung sind
aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 29 40 637 bekannt.
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Im bekannten Gleichstrommotor werden die Öffnungs- und
Schließzeitpunkte der Schalter, nach jeder Schalteinrichtung getrennt, aus der Stärke des
Motormagnetfelds abgeleitet, so daß die Steuerung der Schalter jeder Schalteinrichtung
ganz unabhängig von den anderen Schalteinrichtungen ausgeführt wird. Beim bekannten
Motor ist die Anzahl erforderlicher Anschlußklemmen der Schalteinrichtungen daher
minimal, was beim vollständigen Anbringen jeder Schalteinrichtung in einer integrierten
Schaltung aus preistechnischen Gründen besonders vorteilhaft ist. Der bekannte Motor
hat jedoch den Nachteil, daß durch die unabhängige Steuerung der Schalter die
Öffnungszeitpunkte und Schließzeitpunkte der Schalter in verschiedenen
Schalteinrichtungen nicht genau aneinander anschließen.
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Eine weitere Patentschrift US-A 9 495 450 gibt eine Beschreibung eines
bürstenlosen Motors und einer Schalteinrichtung, in denen die Spannung der
Knotenpunkte der ersten und zweiten Schalter zum Detektieren der
Polaritätsänderungspunkte überwacht wird, um die Benutzung von Hall-Elementen zu
vermeiden.
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Dies führt zu wesentliche Schwankingen in dem aufgenommenen
Motorstrom und also zu wesentlichen Schwankungen in dem dem Motorstrom
proportionalen Motordrehmoment.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen bürstenlosen
Gleichstrommotor der eingangs erwähnten Art mit einem gleichmäßigen Drehmoment
zu schaffen, und bei dem die Anzahl erforderlicher Anschlußklemmen jeder
Schalteinrichtung auf ein Mindestmaß beschränkt ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die
Steuerschaltung jeder Schalteinrichtung mit Mitteln zum Schließen des ersten Schalters
oder des zweiten Schalters in Beantwortung einer Spannungsänderung am Knotenpunkt
zwischen dem ersten und dem zweiten Schalter versehen ist, und diese
Spannungsänderung wird durch das Öffnen eines ersten bzw. eines zweiten Schalters
einer anderen Schalteinrichtung bewirkt.
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Erfindungsgemäß ist die Schalteinrichtung der eingangs erwähnten Art
dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung der Schalteinrichtung Schließmittel
zum Schließen des ersten oder des zweiten Schalters in Beantwortung einer
Schaltungsänderung am Knotenpunkt zwischen dem ersten und dem zweiten Schalter
enthält.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei einem
erfindungsgemäßen Motor der Öffnungszeitpunkt eines Elektronikschalters aus dem
Spannungsverhalten der von der Gleichstromquelle entkoppelten Speiseleitung
detektierbar ist. Wenn in Beantwortung der Detektion des Öffnungszeitpunkts die
entkoppelte Speiseleitung sofort mit der Gleichspannungsquelle verbunden wird, wird
ein guter Anschluß des Schließzeitpunkts an den Öffnungszeitpunkt und somit ein
gleichmäßiges Drehmoment erhalten.
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Ein Ausführungsbeispiel des bürstenlosen Gleichstrommotors, bei dem die
Steuerschaltung jeder Schalteinrichtung mit zweiten Mitteln zum Schließen des ersten
und zweiten Schalters der Steuerschaltung in Abhängigkeit des vom
magnetfeldempfindlichen Element detektierten Magnetfelds versehen ist, ist noch
dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung jeder Schalteinrichtung mit Mitteln
zum Detektieren einer Kreuzung eines Bezugspegels durch das vom
magnetfeldempfindlichen Element detektierte Läufermagnetfeld und für das für eine
bestimmte Zeit Unwirksammachen der zweiten Mittel zum Schließen in Beantwortung
der Kreuzungsdetektion versehen ist. Hiermit wird erreicht, daß, wenn sich
beispielsweise durch eine zufällige Störung ein Schalter in Beantwortung der
Spannungsänderung am Knotenpunkt nicht schließt, dieser Schalter immer noch durch
die zweite Mittel zum Schließen geschlossen wird, so daß die Kommutation des Motors
aufrechterhalten bleibt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Fig.
1 bis 5 der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
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Fig. 1 einen Querschnitt durch den mechanischen Aufbau eines
bürstenlosen Gleichstrommotors,
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Fig. 2 das elektrische Schaltbild eines erfindungsgemäßen Motors,
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Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel einer Schalteinrichtung nach der
Erfindung, und
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Fig. 4 und 5 eine Anzahl im Motor auftretender Signale.
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In Fig. 1 ist ein Querschnitt durch einen üblichen mechanischen Aufbau
eines bürstenlosen Gleichstrommotors 62 dargestellt, der einen zylinderförmigen Läufer
1 aus dauermagnetischem Material enthält, der um einen ferromagnetischen Ständer 2
drehbar angeordnet ist. Der Winkel zwischen dem Läufer 1 und dem Ständer 2 ist mit
R bezeichnet. Der Ständer 2 ist mit sechs über sechzig Grad gegeneinander
verschobenen mit schuhförmigen Enden versehenen Ständerzähnen 10 . . . 15 versehen.
Direkt gegenüber den schuhförmigen Enden der Ständerzähne 10 . . . 15 befinden sich in
regelmäßigen Abständen auf dem Läuferumfang verteilt vier magnetische Nordpole 5,
7, 9, 61 und vier magnetische Südpole 4, 6, 8, 63. Ständerzähne 10 bis 15 bilden die
Kerne der jeweiligen Ständerspulen 16 . . . 21, die auf die in Fig. 2 dargestellte Weise
zwischen drei Speiseleitungen A, B und C geschaltet sind. Dabei sind die Ständerspulen
16 und 19 zwischen der Speiseleitung A und der Speiseleitung C in Reihe geschaltet.
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Die Ständerspulen 17 und 20 sind zwischen der Speiseleitung A und der Speiseleitung B
in Reihe geschaltet. Die Ständerspulen 18 und 21 sind zwischen der Speiseleitung B und
der Speiseleitung C in Reihe geschaltet. Die Speiseleitungen A, B und C sind mit einer
Kommutationsanordnung verbunden, die durch drei identische Schalteinrichtungen 22A,
22B und 22C gebildet wird. Mit den Schalteinrichtungen 22A, 22B und 22C können die
Speiseleitungen A, B bzw. C mit einer positiven Klemme 23 oder einer negativen
Klemme 24 einer Gleichspannungsquelle 25 verbunden werden.
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Dazu ist jede der Schalteinrichtungen 22 mit einer Reihenschaltung aus
einem ersten Elektronikschalter 26 (26A, 26B, 26C) und einem zweiten
Elektronikschalter 27 (27A, 27B, 27C) einer üblichen Art, beispielsweise einem
Transistor versehen. Die Reihenschaltungen werden mit Anschlußklemmen 28 (28A,
28B, 28C) und Anschlußklemmen 29 (29A, 29B, 29C) mit der positiven Klemme 23
bzw. mit der negativen Klemme 24 der Gleichspannungsquelle 25 verbunden.
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Die Elektronikschalter 26 und 27 sind durch Freilaufdioden 32 (32A, 32B,
32C) bzw. Freilaufdioden 33 (33A, 33B, 33C) überbrückt. Die Knotenpunkte 30 (30A,
30B, 30C) zwischen den ersten und zweiten Schaltern sind an Speiseleitungen A, B
bzw. C angeschlossen. Die Elektronikschalter 26 und 27 werden mit Hilfe von
Steuerschaltungen 31 (31A, 31B, 31C) gesteuert. Jede Steuerschaltung 21 ist mit einem
ersten Flipflop 40 (siehe Fig. 3) und einem zweiten Flipflop 41 vom Typ versehen, der
in Beantwortung eines "0"-"1"-Übergangs am Setzeingang S den logischen 1-Zustand
annimmt, und der in Beantwortung eines 0-1-Übergangs am Rückeinstelleingang R den
logischen 0-Zustand annimmt. Die Eingangssignale Tp und Tn des Flipflops 40 bzw. 41
werden als logische Steuersignale den Elektronikschaltern 26 und 27 zugeführt. Die
Elektronikschalter 26 und 27 sind derart ausgeführt, daß sie bei einem Steuersignal mit
logischem Zustand 1 geschlossen und bei einem logischen Steuersignal 0 geöffnet sind.
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Die Steuerschaltung 31 enthält einen ersten Teil 42 zum Erzeugen von
Rückstellsignalen für die Flipflops 40 und 41 abhängig von der Läuferstellung und einen
zweiten Teil 43 zum Erzeugen von Setzsignalen für die Flipflops 40 und 41 abhängig
vom Spannungsverlauf am Knotenpunkt 30. Der Teil 42 ist zusammen mit den übrigen
Teilen der Schalteinrichtung am Ständer 1 im genügend kurzen Abstand vom Läufer
befestigt, um die Polarität der passierenden Klemmen 4, 5, 6, 7, 8, 9, 61 und 63
detektieren zu können. Der Teil 42 enthält dazu ein magnetfeldempfindliches Element
44 in Form eines Hall-Sensors, dessen Ausgänge an die invertierenden und nicht
invertierenden Eingänge einer Vergleichsschaltung 45 angeschlossen sind. Das
magnetfeldempfindliche Element 44 und die Vergleichsschaltung sind derart aufeinander
abgestimmt, daß die Vergleichsschaltung ein logisches Signal Rp liefert, dessen
logischer Zustand durch die Polarität des Magnetfelds vom Element 44 bestimmt wird,
und also die Polarität der passierenden Läuferklemme darstellt. Das Signal Rp wird dem
Rückstelleingang R des Flipflops 40 zugeführt. Mit Hilfe einer Umkehrschaltung 46
wird das Signal Rp invertiert. Das invertierte Signal Rn am Ausgang der
Umkehrschaltung 46 gelangt an den Rückstelleingang R des Flipflops 41.
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Die gegenseitigen Abstände zwischen den auf dem Läuferumfang
angeordneten Schalteinrichtungen 22 (22A, 22B, 22C) sind derart gewählt, daß bei
drehendem Läufer die Teile 42 der Steuerschaltungen 31 (31A, 31B, 31C) unter der
Einwirkung des Läufermagnetfelds Rückstellsignale erzeugen, die gegeneinander über
120 Grad in der Phase elektrisch verschoben sind (siehe Fig. 4). Auf diese Weise wird
eine Bestimmung der Öffnungszeitpunkte der Schalter 26 und 27 erhalten, die
vollständig durch die Läuferposition bestimmt wird.
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Der Teil 43 ist für die Erzeugung eines Setzsignals Sn mit einem
flankenempfindlichen Impulsgenerator 50 eines üblichen Typs versehen, der einen
Impuls Vsn in Beantwortung einer schnellen positiven Spannungsänderung an seinem
Eingang erzeugt. Der Eingang des Impulsgenerators 50 ist mit dem Knotenpunkt 30
verbunden. Der Ausgangsimpuls Vsn wirkt zusammen mit dem Signal Rp und das über
eine bestimmte Zeit τ&sub1; durch eine Verzögerungsschaltung 51 verzögerte Rückstellsignal
Rp einem Dreieingangs-UND-Gatter 52 zugeführt. Dieses verzögerte Signal wird im
weiteren mit Rp' bezeichnet. Das Ausgangssignal des UND-Gatters 52 gelangt an einen
Eingang eines ODER-Gatters 53. Einem Eingang eines monostabilen Multivibrators 53A
wird das über eine bestimmte Zeit (τ&sub1; + τ&sub2;) durch die Verzögerungsschaltungen 51 und
54 verzögerte Rückstellsignal Rp zugeführt. Das Ausgangssignal des monostabilen
Multivibrators gelangt an einen zweiten Eingang des ODER-Gatters 53. Dieses
Ausgangssignal wird im weiteren mit Rp'' bezeichnet. Das Ausgangssignal des ODER-
Gatters 53 dient als Setzsignal Sn.
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Zum Erzeugen des Setzsignals Sp ist der Teil 43 mit einem zweiten
flankenempfindlichen Impulsgenerator 55 vom üblichen Typ versehen, der in
Beantwortung einer schnellen negativen Spannungsänderung einen Impuls Vsp an seinem
Eingang erzeugt. Der Eingang des Impulsgenerators 55 ist mit dem Knotenpunkt 30
verbunden. Das Ausgangssignal des Impulsgenerators 55 gelangt an einen Eingang eines
Dreieingangs-UND-Gatters 56. Einem der anderen Eingänge des UND-Gatters 56 wird
das in der Verzögerungsschaltung 51 verzögerte und anschließend durch die
Umkehrschaltung 57 invertierte Rückstellsignal Rp zugeführt. Dieses verzögerte und
invertierte Signal wird im weiteren mit Rn' bezeichnet. Weiter gelangt noch das Signal
Rn' an einen Eingang des UND-Gatters 56. Der Ausgang des UND-Gatters 56 ist mit
einem Eingang eines ODER-Gatters 58 verbunden. Einem anderen Eingang des ODER-
Gatters 58 wird das in einer Umkehrschaltung 59 invertierte Rückstellsignal Rp''
zugeführt. Das invertierte Signal wird im weiteren mit Rn'' bezeichnet. Das
Ausgangssignal des ODER-Gatters 58 dient als Setzsignal Sp.
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Die Wirkung der Kommutation des Motors wird nachstehend anhand der
Fig. 4 und 5 beschrieben.
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In Fig. 4 sind die Rückstellsignale Rp (Rpa, Rpb, Rpc) und Rn (Rna, Rnb,
Rnc, die Steuersignale Tp (Tpa, Tpb, Tpc) und tn (Tna, Tnb, Tnc) und die Spannungen
Va, Vb und Vc an den Knotenpunkten 30 (30A, 30B, 30C) für die Schalteinrichtungen
22 (22A, 22B, 22C) abhängig vom Winkel Re zwischen dem Läufer und dem Ständer
bei Nenndrehzahl wiedergegeben, wobei Re in elektrischem Grad ausgedrückt ist. Die
Läuferpositionen sind in sechs aufeinanderfolgenden Strecken f&sub1; . . . f&sub6; verteilt, die
zusammen einen Winkel Re gleich 360 Grad elektrisch bestreichen.
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In Fig. 5 sind die Spannung Vc, das Rückstellsignal Rpc, das über die
Zeit τ&sub1; verzögert ist und am Ausgang der Verzögerungsschaltung 51 erscheint, und das
Signal Rpc'' am Ausgang der Verzögerungsschaltung 54, das Setzsignal Snc, das Signal
Vsnc und das Steuersignal Tnc für den Schalter 27c abhängig von der Zeit t
wiedergegeben.
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In der Kommutationsstrecke f&sub1;, die zum Zeitpunkt t&sub0; anfängt, sind die
logischen Zustände von Tpa und Tnb gleich 1, was bedeutet, daß der Schalter 26A und
der Schalter 27B geschlossen und die übrigen Schalter 26 und 27 geöffnet sind. Die
Spannung Va am Knotenpunkt 30A ist dabei gleich der Spannung Vp an der positiven
Klemme 23 der Gleichspannungsquelle 24 und die Spannung Vb am Knotenpunkt 30B ist
dabei gleich der Spannung Vn an der negativen Klemme 24 dieser
Gleichspannungsquelle. Der Knotenpunkt 30C ist dabei von der Gleichspannungsquelle
25 ganz entkoppelt. Der Spannungsunterschied zwischen den Knotenpunkten 30A und
30B bewirkt Ströme IAB, IBC und IAC in den Motorspulen. Durch das von den Strömen
IAB,
IBC und IAC erzeugte Drehmoment wird der Läufer angetrieben, wodurch der
Winkel Re größer wird. Zum Zeitpunkt t&sub1; (siehe Fig. 5) am Ende der
Kommutationsstecke f&sub1; ändert sich der logische Zustand von Rnb von 0 nach 1,
wodurch das im Flipflop 41 der Steuerschaltung 31B erzeugte Steuersignal Tnb sich von
1 nach 0 ändert, so daß der Schalter 27B sich öffnet. In Beantwortung des Öffnens des
Schalters 27B steigt durch die Selbinduktivität der Spulen 16 . . . 21 die Spannung Vb am
Knotenpunkt 30b sprunghaft so stark an, daß die Freilaufdiode 32b in einer kurzen Zeit
leitend wird, was bedeutet, daß die Spannung Vb in dieser kurzen Zeit nahezu gleich
der Spannung Vp wird. Durch die sprunghafte Änderung der Spannung Vb nimmt auch
die Spannung am Knotenpunkt 30c sprunghaft zu. In Beantwortung der positiven
sprunghaften Änderung der Spannung Vc erzeugt der Impulsgenerator 50 einen Impuls
Vsnc (sieh Fig. 5). Inzwischen ist das verzögerte Rückstellsignal Rpc' auf 1 gekommen,
so daß am Ausgang des ODER-Gatters 53 der Steuerschaltung 31C ein Setzimpuls Snc
erzeugt wird, wodurch das Steuersignal Tnc am Ausgang des Flipflops 41 gleich 1 und
somit der Schalter 27C geschlossen wird. Die Spannung Vc gleicht sich dabei an die
Spannung Vn an.
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Wie in Fig. 5 dargestellt, wird außer zum Zeitpunkt t&sub1; auch ein Impuls
Vsnc zum Zeitpunkt t&sub0; am Anfang der Kommutationsstrecke f&sub1; und zu den Zeitpunkten
t&sub3; und t&sub4; in der Kommutationsstrecke f&sub2; erzeugt. Es ist jedoch unerwünscht, daß diese
Impulse die Erzeugung eines Setzsignals Snc zur Folge haben. Durch eine geeignete
Wahl der Verzögerungszeit τ&sub1; erreicht man, daß zum Zeitpunkt t&sub0; das Signal Rpc' noch
gleich 0 ist, während zum Zeitpunkt t&sub1; das Signal Rpc' den Zustand 1 erreicht hat. In
diesem Fall wird der Impuls Vsnc zum Zeitpunkt t&sub0; nicht vom UND-Gatter 52 dem
ODER-Gatter 53 zugeführt und es wird somit kein Setzimpuls Snc erzeugt, während der
Impuls Snc zum Zeitpunkt t&sub1; tatsächlich weitergeleitet wird. Da das Signal Rp ebenfalls
an das UND-Gatter 52 gelangt, wird vermieden, daß zu den Zeitpunkten t&sub3; und t&sub4; in
der Phasenstrecke f&sub2; unerwünschte Setzimpulse Snc erzeugt werden.
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Auf gleichartige Weise wie am Ende der Kommutationsstrecke f&sub1; wird am
Ende jeder der folgenden Kommutationsstrecken jeweils in Beantwortung eines 0-1-
Übergangs eines der Rückstellsignale Rp oder Rn einer der Schalter 26 oder 27
geöffnet. In Beantwortung der Spannungsänderung am zu koppelnden Knotenpunkt 30
wird abhängig vom Vorzeichen der Spannungsänderung ein Setzsignal Sp oder Sn
durch die mit diesem Knotenpunkt 30 gekoppelten Steuerschaltung 31 erzeugt, wodurch
dieser Knotenpunkt mit der positiven Klemme 23 bzw. mit der negativen Klemme 24
der Gleichspannungsquelle 25 verbunden wird. Auf diese Weise wird eine Kommutation
erreicht, bei der jede Schalteinrichtung nur mit der positiven 23 und der negativen
Speiseklemme 24 der Gleichspannungsquelle 25 und mit einer der Speiseleitungen A, B
oder C des Motors verbunden zu sein braucht, und wobei ein guter Anschluß der
Schließzeitpunkte der Schalter an die Öffnungszeitpunkte der Schalter erhalten wird. Die
erforderliche Information zum Erhalten eines guten Anschlusses der Schließzeitpunkte
an die Öffnungszeitpunkte wird über die Spulen des Motors weitergeleitet.
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Die geringe Anzahl der Anschlußpunkte (drei) für jede Schalteinrichtung
ist insbesondere vorteilhaft, wenn man die ganze Schalteinrichtung in einer integrierten
Schaltung anordnen möchte, da der Selbstkostenpreis des Gehäuses einer integrierten
Schaltung stark durch die Anzahl erforderlicher Anschlußstifte beeinflußt wird.
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Im hier beschriebenen Motor wird in jeder Schalteinrichtung einer der
Schalter 26 und 27 in Beantwortung einer sprunghaften Spannungsänderung geschlossen,
die durch das Öffnen eines Schalters oder einer anderen Schalteinrichtung verursacht
wird. An einem der Ausgänge der UND-Gatter 52 oder 56 wird dabei ein
impulsförmiges Signal erzeugt. Wenn jedoch in der von dem Verzögerungsschaltungen
bestimmten Zeit τ&sub1; + τ&sub2; nach einer 0-1-Übergang von Rp' noch kein Impuls am
Ausgang des UND-Gatters 52 erzeugt ist, wird der Schalter 26 in Beantwortung eines 0-
1-Übergangs des verzögerten Signals Rpc'' am Ausgang der Verzögerungsschaltung 54
geschlossen. Auf gleichartige Weise wird, wenn in der Zeit T&sub1; + T&sub2; nach einem 1-0-
Übergang des Signals noch kein Impuls am Ausgang des UND-Gatters 56 erzeugt ist,
der Schalter 26 in Beantwortung eines 0-1-Übergangs des verzögerten und invertierten
Signals am Ausgang der Umkehrschaltung 59 geschlossen werden.
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Durch diese Maßnahmen erreicht man, daß die Kommutation
aufrechterhalten bleibt, wenn eine durch das Öffnen eines Schalters 26 oder 27 bewirkte
Spannungsänderung am Knotenpunkt beispielsweise durch eine vereinzelte Störung nicht
zu dem Erzeugen eines Setzimpulses führt.
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In der hier beschriebenen Ausführungsform werden durch die Teile 43
zum Erzeugen der Setzsignale Sp und Sn die durch das Öffnen der Schalter 26 und 27
verursachten Spannungssprünge mit flankenempfindlichen Impulsgeneratoren 50 und 55
detektiert. Es redet für sich, daß diese Spannungssprünge auf vielerlei andere Weisen
detektierbar sind, beispielsweise mit Hilfe der Pegeldetektion.
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Auch beschränkt sich die Erfindung nicht auf Motoren, bei denen die
Ständerspulen in Dreieck geschaltet sind. Diese Ständerspulen können genau so gut in
Sternform geschaltet sein.