DE3812638A1 - Buerstenloser bipolarer mehrphasen-gleichstrommotor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen bürstenlosen bipolaren Mehrphasen-Gleichstrommotor, in dem der Ständer von einem Anker und der Läufer von Permanentmagneten gebildet wird.

Falls die Ständerwicklung dieses Motors als Spulenwicklung ausgeführt ist, gibt der Motor sinusförmige Drehmomentwellen ab; dadurch ist er als Kleinmotor geeignet. Falls die Ständer­ wicklung indessen als Kettenwicklung ausgeführt ist, gibt der Motor trapezförmige Drehmomentwellen ab, wodurch er als Leistungsmotor geeignet ist.

Die Erfindung macht sich ferner einen bipolaren Betrieb zu eigen, so daß die Kupferverluste der erregenden Wicklung minimiert werden können; dadurch erhöht sich der Wirkungs­ grad. Darüber hinaus ist die Erfindung für einen Mehrphasen­ betrieb entworfen, so daß die Ausnutzung der Spule erhöht werden kann; dadurch wird es möglich, den Motor raumsparend zu bauen und den Drehmomentverlauf zu verbessern. Außerdem sind bei diesem Motor der Kommutationskodierer und der Sensor­ teil, die nachfolgend als Kommutationskodierer und -photo­ transistoren bezeichnet werden, einfach und betriebssicher ausgeführt, so daß die Start- und Drehcharakteristik des Motors verbessert werden kann und der Motor aufgrund seiner einfachen Bauweise kostengünstig hergestellt werden kann.

Ein herkömmlicher Nebenschlußmotor, bei dem die Erregerwick­ lungen mit einer geeigneten Anzahl von Polen auf den Läufer gewickelt werden und die Wicklungen, welche die Verbindung zu den Bürsten herstellen, für die Drehbewegung auf den Läufer gewickelt werden, weist Nachteile auf. Während des Betriebs lagern sich Verunreinigungen, wie Staub, zwischen den Kommu­ tatorsegmenten an, oder die Bürste muß wegen eines Kurzschlus­ ses in der Isolierung oder wegen Abnutzung ersetzt werden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, unter Ausschaltung der erwähnten Probleme einen bürstenlosen bipolaren Mehrphasen-Gleichstrommotor zu schaffen, bei dem im Läufer ein Permanentmagnet statt einer Erregerspule verwendet wird, die Ständerwicklung als unabhängige Wicklung ausgeführt ist, ein Kommutationskodierer fest auf den Läuferschaft montiert ist und ein mit einem Treiberkreis verbundener Sensor ange­ bracht ist, wodurch der Motor bei einfacher Bauweise und kostengünstiger Herstellung weich gestartet und gedreht wird.

Die Erfindung wird zu ihrem besseren Verständnis und zur Erläuterung weiterer Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten im Lichte der folgenden ausführlichen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels dargestellt, wobei in den Zeich­ nungen zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung, teilweise als Block­ schaltbild, einen bürstenlosen bipolaren Mehrphasen- Gleichstrommotor gemäß der Erfindung;

Fig. 2A in zerlegter, perspektivischer Darstellung einen Drehzahlkodierer und Sensor (den Kommutations­ kodierer und die -phototransistoren) gemäß der Erfindung;

Fig. 2B im Halbschnitt die Teile von Fig. 2A in zusammen­ gebautem Zustand;

Fig. 3A ein kreisförmiges Schaltbild der unabhängigen Wicklung des Dreiphasen-Vierpolmotors;

Fig. 3B die Anordnung des vierpoligen Läufers;

Fig. 3C ein seriell umgezeichnetes Schaltbild der unabhängi­ gen Wicklung des Dreiphasen-Vierpolmotors;

Fig. 4A in schematischer Darstellung die Treiberschaltung des Dreiphasen-Motors;

Fig. 4B den konstruktiven Aufbau des Läufers und des Kommuta­ tionskodierers mit Phototransistoren;

Fig. 5A den schematischen Aufbau eines Dreiphasen-Vierpol­ motors;

Fig. 5B den schematischen Aufbau eines Vierphasen-Vierpol­ motors;

Fig. 6 Zeitverläufe der abgegebenen Drehmomentwellen bei der Ausführung gemäß Fig. 3A, 3B und 3C;

Fig. 7A die Position des Lagesensors und den zugehörigen Zeitverlauf der Drehmomentwelle;

Fig. 7B die korrigierte Position des Lagesensors und den zugehörigen Zeitverlauf der Drehmomentwelle;

Fig. 8A den mit korrigiertem Winkel am Kommutationskodierer angebrachten Lagesensor und den zugehörigen Zeit­ verlauf der Drehmomentwelle;

Fig. 8B den Zustand, in dem der Lagesensor in optimal korrigierter Position an dem Kommutationskodierer angebracht ist, und den zugehörigen Zeitverlauf der Drehmomentwelle; und

Fig. 9 die Anordnung eines Vorwärts- und Rückwärtssensors in dem Dreiphasen-Vierpolmotor gemäß der Erfindung.

Im folgenden wird ein bürstenloser Mehrphasen-Gleichstrommotor gemäß der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnungen erläutert.

Die ausgezeichneten Eigenschaften des bürstenlosen Gleichstrom­ motors hängen vom konstruktiven Aufbau des Drehwerks, des Kommutationskodierers mit Phototransistoren und der Treiber­ schaltung ab. Demgemäß ist der bürstenlose Gleichstrommotor gemäß der Erfindung entsprechend dem Übersichtsschaltbild nach Fig. 1 aufgebaut. Wenn das Kommutationssystem die Position des Läufers durch den Kommutationskodierer mit Phototransi­ storen feststellt, erzeugt es einen Impuls. Der elektronische Kommutator schaltet so den an die Wicklung angeschlossenen Leistungstransistor ein, wodurch der Wechselstrom durch das Drehwerk fließt und den Motor antreibt.

Wie in den Fig. 2A und 2B gezeigt ist, wird der Kommutations­ kodierer mit Phototransistoren gedreht, indem der Kommutations­ kodierer 2 auf der Welle 11 des Drehwerks 1 befestigt ist. Der Kommutationskodierer 2 umfaßt einen lichtabschirmenden Teil 21 und einen lichtaufnehmenden Teil 22.

Dieses Kommutationssystem zeichnet sich dadurch aus, daß es für jede Phase unabhängig ausgeführt ist. Das Kommutations­ system jeder Phase ist parallel mit der einen Spannungssteuerung verbunden und der Wechselstrom mit rechteckförmigem Verlauf fließt dementsprechend durch die Wicklung jeder Phase, wodurch der Motor weich angetrieben wird.

Die ausführliche Erläuterung eines bürstenlosen bipolaren Mehrphasen-Gleichstrommotors, der nach dem Prinzip der Erfin­ dung angetrieben wird, wird anhand seiner grundlegenden Bau­ gruppen (Drehwerk, Spannungssteuerung usw.) vorgenommen.

Das Drehwerk besteht aus dem durch einen Anker gebildeten Ständer 4 und dem durch Permanentmagneten gebildeten Läufer 7. Der Läufer des Drehwerks 1 kann zwei, vier, sechs, acht, . . . oder 2n Pole aufweisen, der Ständer zwei, drei, vier, fünf, sechs, . . . oder n Phasen. Die Anzahl der Pole und Phasen kann also entsprechend den Anforderungen erhöht oder vermindert werden, ebenso wie die Länge, der Durchmesser oder die Form des Drehwerks 1 nach Bedarf modifiziert werden kann.

Wie in den Fig. 3A und 3B gezeigt ist, ist die Wicklung des Motors eine unabhängige, nicht in Dreiecks- oder Stern­ schaltung verbundene Wicklung. Obwohl die Spule einer jeden Phase Teil eines Mehrphasen-Motors ist, ist sie so aufgebaut, daß die erregende Wirkung einer jeden Spule stets konstant ist.

Der elektronische Kommutator ist gemäß den Fig. 4A und 4B so aufgebaut, daß je ein Satz vier Leistungstransistoren Q 1 bis Q 4 umfaßt, die mit der Spule jeder Phase verbunden sind. Je zwei dieser Transistoren sind mit einem Phototransistor verbunden, so daß jede Phase mit zwei Phototransistoren aus­ gestattet ist, wodurch die Stromrichtung entsprechend der Arbeitsweise der Phototransistoren festgelegt wird. Dies sei beispielhaft für den Fall des Dreiphasen-Motors mit zwei­ facher Erregung gemäß den Fig. 4A und 4B erläutert. Wenn sich der Phototransistor PA ₁ innerhalb der Aufnahmefläche des Kommutationskodierers 2 befindet, erzeugt er einen posi­ tiven Impuls. Dadurch werden die Transistoren Q ₁ und Q ₄ ein­ geschaltet und der Strom fließt vom Transistor Q ₁ zum Transi­ stor Q ₄. Der Phototransistor PA ₂ ist dabei in einer Position, in der er nicht eingeschaltet ist. Wenn die Position der Photo­ transistoren verschoben wird und der Phototransistor PA ₂ innerhalb des Aufnahmebereichs des Kommutationskodierers 2 liegt, werden die Transistoren Q ₂ und Q ₃ eingeschaltet, so daß der Strom in umgekehrter Richtung vom Transistor Q ₂ zum Transistor Q ₃ fließt. Nunmehr ist der Phototransistor PA ₁ in einer Position, in der er nicht eingeschaltet werden kann.

Weil demzufolge zwei Phototransistoren pro Phase vorgesehen sind und nur positive Impulse benutzt werden, kann auf einen Frequenzteiler verzichtet werden. Darüber hinaus kann auf eine Überkreuzsperre verzichtet werden, weil jeder Phototransistor einer Phase so eingebaut ist, daß er nicht eingeschaltet wird, während der Läufer eien Drehwinkel von 30° × 2n/ Polzahl des Läufers / Anzahl der Phasen überstreicht. Auf diese Art kann ein sicherer und einfacher elektronischer Kommutator ohne komplizierte Logikschaltkreise gebaut werden.

Wie in den Fig. 4A und 4B gezeigt ist, besteht der Kommu­ tationskodierer mit Phototransistoren aus dem Kommutations­ kodierer 2, der am einen Ende der Motorwelle vorgesehen ist, und zwei Phototransistoren pro Phase. Er ist vom externen Typ. Der Fall des Dreiphasen-Vierpolmotors sei beispielhaft er­ läutert.

Der Motor vom Dreiphasen-Vierpoltyp gemäß Fig. 5 ist so auf­ gebaut, daß der Kommutationskodierer 2 2 × Polzahl des Läufers/2 Aufnahmeflächen besitzt und die Breite der Aufnahmefläche einem Drehwinkel von 60° × 2n/ Polzahl des Läufers x (Anzahl der Phasen -1) / Anzahl der Phasen entspricht. Die Phototransistoren PA ₁, PB ₁, PC ₁, PA ₂, PB ₂ und PC ₂ sind entsprechend in Intervallen des Drehwinkels von 30° × 2n/ Polzahl des Läufers / Anzahl der Phasen angeordnet. Das Intervall zwischen den Phototransistoren PA ₁ und PA ₂ der A-Phase entspricht dem Drehwinkel von 90° × 2n/ Polzahl des Läufers ebenso wie in der B- und C-Phase.

Im folgenden wird die Arbeitsweise mit Bezug auf die A-Phase erläutert. Während der Phototransistor PA ₁ einen positiven Impuls für die Treiberschaltung in einem Drehwinkelintervall von 60° erzeugt, ist er in einem Intervall von 30° nicht eingeschaltet. Auch das Intervall, in dem der Phototransistor PA ₂ eingeschaltet ist, entspricht einem Drehwinkel von 60°. Wenn der Phototransistor PA ₁ eingeschaltet ist, ist der Phototransistor PA ₂ nicht eingeschaltet und umgekehrt. Während eines Drehwinkelintervalls von 30° sind beide Phototransistoren PA ₁ und PA ₂ nicht eingeschaltet. Der so konstruierte Kommu­ tationskodierer mit Phototransistoren arbeitet zweiphasig mit einfacher Erregung, dreiphasig mit zweifacher Erregung, vierphasig mit dreifacher Erregung, fünfphasig mit vierfacher Erregung, sechsphasig mit fünffacher Erregung, . . . , so daß der n-phasige Motor mit (n-1)facher Erregung entsteht, der als bürstenloser bipolarer Mehrphasen-Gleichstrommotor be­ zeichnet wird.

Wie in den Fig. 7A und 7B gezeigt ist, erzeugt der Photo­ transistor in eingeschaltetem Zustand einen Impuls, der einen Strom in vorgegebener Richtung durch die Wicklung fließen läßt, sobald der Phototransistor in seiner theoretischen Position von der Aufnahmefläche des Kommutationskodierers 2 erreicht wird. Außerhalb der Aufnahmefläche wird bei gesperrtem Transistor kein Impuls erzeugt und der Strom durch die Wicklung ist abgeschaltet.

Der Zeitpunkt für Anfang und Ende der Spulenerregung wird um den Winkel R verzögert im Vergleich zu dem Zeitpunkt des vom Phototransistor erzeugten Impulsanfangs und -endes. Diese Verzögerung ist auf die Speicherzeit des Transistors und die Ansprechcharakteristik der Spule zurückzuführen.

Zusätzlich ermöglicht es die voreilende Kommutation mit Hilfe des Phototransistors, den schwachen Drehmomentanteil in zur Drehrichtung des Läufers umgekehrter Richtung auszu­ schalten, den Wirkungsgrad zu verbessern und die Kupferverluste zu minimieren.

Vorzugsweise wird die um R voreilende Kommutation des Photo­ transistors während des Motorbetriebs als beste Position ein­ gestellt. Die Einstellung des Phototransistors ist möglich, weil der Sensorteil vom externen Typ ist.

Wie in den Fig. 8A und 8B gezeigt, wird die Modulation der Erregungsbreite vorgenommen, indem der Abstand zwischen dem Phototransistor und dem Kommutationskodierer 2 eingestellt wird. Die Erregungsbreite fällt nicht mit der Impulsbreite zusammen, die vom Phototransistor herrührt. Offensichtlich ist die Erregungsbreite der Spule von Natur aus größer als die Impulsbreite des Phototransistors, weil sie von der Spei­ cher- und Abfallzeit des Transistors und von der Erregungs­ charakteristik der Spule abhängt.

Demgemäß vergrößert die Erregung in der Spanne des schwachen Drehmoments die Kupferverluste in der Spule (siehe Fig. 8A und 8B), was zu Hitzeentwicklung im Motor führt und den Wir­ kungsgrad herabsetzt.

Vorzugsweise wird die Einstellung des Abstands zwischen dem Phototransistor und dem Kommutationskodierer 2 an dem Sensor­ teil vom externen Typ derart vorgenommen, daß die günstigste Position für den Verlauf des Drehmoments und die effektivste Position für den Betrieb des Motors einjustiert wird.

Wie in Fig. 9 dargestellt, ist der Sensorteil in der Lage, vorwärts und rückwärts zu rotieren. Hierzu ist ein Satz von Phototransistoren vorgesehen, der während einer Rückwärts­ drehung benutzt wird und symmetrisch zu dem Satz von Photo­ transistoren verschoben ist, die für die Vorwärtsdrehung voreilend positioniert wurden.

Übereinstimmend mit der Auswahl des Satzes von Phototransistoren für die Vorwärts- oder Rückwärtsdrehung durch berührungslose elektromagnetische Betätigung ist eine Vorwärts- und Rück­ wärtsdrehung des Motors möglich.

Das Kommutationssystem ist gemäß Fig. 1 parallel geschaltet, direkt im Falle von Gleichstrom und über Gleichrichter im Falle von Wechselstrom. Die Geschwindigkeit des Motors wird gesteuert, indem die Spannung an der Spannungssteuerung ein­ gestellt wird.

Die Wirkungsweise der zuvor beschriebenen Erfindung, insbe­ sondere als Leistungsmotor, kann wie folgt zusammengefaßt werden:

Ein Paar von Phototransistoren ist pro Phase in einem Kommutationskodierer angeordnet, wodurch sich eine Teiler­ vorrichtung und eine Überkreuzsperre erübrigen und ein sicherer und einfacher Schaltkreis entsteht.

Da der Motor auf einfache Art mehrphasig und mehrpolig aus­ gelegt werden kann, wird der Zeitverlauf des Drehmoments nennenswert verbessert. Indem die Bereiche mit schwachem Drehmoment ausgeschaltet werden, werden die Kupferverluste und die Abwärme des Motors minimiert und so der Wirkungsgrad verbessert.

Ein maximaler Strom kann durch eine für jede Phase unabhängige Wicklung geschickt werden. Die Mehrphasigkeit sorgt für eine effektive Ausnutzung der Wicklung (zum Beispiel zweiphasig mit einfacher Erregung, dreiphasig mit zweifacher Erregung, vierphasig mit dreifacher Erregung, fünfphasig mit vierfacher Erregung, sechsphasig mit fünffacher Erregung, . . .), was eine platzsparende Bauweise zuläßt. Die Verbesserung des Wirkungs­ grads des Motors und des Verlaufs des Drehmoments führt zu einer entsprechenden Verbesserung beim Ansprechen des Motors.

Zur Verstetigung der Rotation wird eine voreilende Kommutation eingesetzt, wobei der Sensorteil unabhängig für eine Vorwärts- und Rückwärtsdrehung ausgebildet wird. Die geringere Leistung der Transistoren, die phasenunabhängig im Antriebsteil ein­ gebaut sind, setzt die Herstellungskosten herab.

Wie aus den Fig. 1 und 2A ersichtlich, ist mit 6 ein Geschwindigkeitsfühler bezeichnet, der auf dem Umfang einer Ge­ schwindigkeitssteuerkodiervorrichtung 3 angeordnet ist, um die Geschwindigkeit festzustellen. Die Geschwindigkeitssteuer­ kodiervorrichtung 3 weist eine Vielzahl von lichtdurchlässigen bzw. lichtreflektierenden Bereichen auf ihrem Umfang auf, mit denen die Geschwindigkeit festgestellt werden kann.

Claims (5)

1. Ein bürstenloser bipolarer Mehrphasen-Gleichstrommotor, gekennzeichnet durch eine Spannungssteuerung und einen Mehr­ phasenbetrieb, bei dem jede Phase (A, B, C) einen Sensorteil (2, 5) einschließlich eines Kommutationskodierers (2) mit Phototransistoren (5) sowie eine Erregerspule (4) und einen elektronischen Kommutator aufweist,
ferner gekennzeichnet durch ein Zusammenwirken der getrennten Phasen derart, daß jede Phase (A, B, C) parallel mit der Spannungssteuerung verbunden ist und zwei Phototransistoren (z. B. PA ₁ und PA ₂ für die Phase A) aufweist,
wobei mit Bezug auf den Kommutationskodierer (2) die erfor­ derliche Erregungsbreite und die der Drehrichtung des Läufers (7) entsprechende Stromrichtung festgelegt sind,
wodurch ein bipolarer Strom in der Erregerwicklung (4) fließt und der bürstenlose Gleichstrommotor weich angefahren und angetrieben werden kann.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kommutationskodierer (2) des Sensorteils (2, 5) eine Aufnahmefläche aufweist, deren Breite durch einen Drehwinkel von "2f/ Polzahl des Läufers x (Anzahl der Phasen -1) / Anzahl der Phasen" und deren Anzahl durch "Polzahl des Läufers/2" festgelegt ist,
wobei die Betriebsart des bürstenlosen Gleichstrommotors zweiphasig mit einfacher Erregung, dreiphasig mit zweifacher Erregung, vierphasig mit dreifacher Erregung, . . . , n-phasig mit (n-1)facher Erregung ausgelegt ist,
wodurch die Ausnutzung der Wicklung erhöht wird und der Verlauf des Drehmoments es erlaubt, den bürstenlosen Gleichstrommotor platzsparend auszulegen.

3. Motor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Sensor­ teil (2, 5) vom extern angebrachten Typ, bei dem mehrere Photo­ transistorgruppen in Form voreilender Kommutation entgegen­ gesetzt zur Drehrichtung um einen bestimmten Winkel (β) aus der theoretischen Position verschoben werden, um das schwache Drehmoment auszulassen, das von der Verzögerungs- und Speicherzeit der Transistoren (PA ₁, . . .) und von der Erregungscharakteristik der Wicklung (4) herrührt, und um so die Kupferverluste zu minimieren.

4. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aus dem Kommutationskodierer (2) und den Phototransistoren (5) zusammengesetzte Sensorteil (2, 5) die Erregungsbreite ändern kann, indem der Abstand zwischen den Phototransistoren (5) und dem Kommutationskodierer (2) eingestellt wird, wobei die Breite des Aufnahmebereichs auf einen Drehwinkel von "2π/ Polzahl des Läufers x (Anzahl der Phasen -1) / Anzahl der Phasen" festgelegt ist, um die Kupferverluste zu mindern und den Wirkungsgrad zu stei­ gern, wobei diese Einstellung ausgeführt wird, indem die Photo­ transistoren (5) während des Betriebs des bürstenlosen Gleich­ strommotors versetzt werden.

5. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorteil (2, 5) zweite Phototransistorgruppen einschließt, die bei umgekehrter Drehung benutzt und symmetrisch zu der voreilenden Position der bei Vorwärtsdrehung benutzten Photo­ transistorgruppen angebracht werden, so daß sich der Sensor (2, 5) und damit der bürstenlose Gleichstrommotor sowohl vor­ wärts als auch rückwärts drehen können, je nachdem, ob durch berührungslose elektromagnetische Betätigung der Vorwärtssensor oder der Rückwärtssensor ausgewählt werden.