DE3812638A1 - Buerstenloser bipolarer mehrphasen-gleichstrommotor - Google Patents
Buerstenloser bipolarer mehrphasen-gleichstrommotorInfo
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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.
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.
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.
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