DE3916870A1 - Dynamoelektrische maschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine dynamoelektrische Maschine, insbesondere mehrsträngige, n-polige Drehfeldmaschine zum motorischen oder generatorischen Einsatz, mit einem feststehenden Ständer, der mit einer der Zahl der Stränge und der Pole entsprechenden Anzahl von Polspulen versehen ist, die bei entsprechender Strombeaufschlagung in ihrer Gesamtheit ein magnetisches Drehfeld erzeugen, sowie mit einem im Bereich des Drehfeldes und koaxial zum Ständer angeordneten, gegenüber dem Ständer drehbar gelagerten Läufer, der als Dauermagnetläufer oder als zumindest eine Erregerspule aufweisendes Klauen- oder Schenkelpolrad ausgebildet ist, wobei die Erregerspule über Schleifringe mit Gleichstrom gespeist wird, ferner mit einem Leistungsstellglied zur Spannungs-/Stromwandlung für die Drehzahlregelung der Maschine, sowie mit einer Kommutierungsschaltung, die die Stromrichtung in den einzelnen Polspulen der jeweiligen Drehstellung und Drehrichtung des Läufers entsprechend umschaltet.

Beim Einsatz solcher Maschinen insbesondere in Kraftfahrzeugen ist es erforderlich, daß diese bezüglich des Drehmoments und der Drehzahl in weiten Grenzen einstellbar sind. Diese Bedingung wird von den heute am Markt befindlichen Maschinen nur unzureichend erfüllt. Nach derzeitigem Stand der Technik kommen hierfür im wesentlichen zwei verschiedene Maschinenprinzipien in Betracht, nämlich die Kollektorgleichstrommaschine einerseits und die asynchrone Drehfeldmaschine, kurz Asynchronmotor genannt, andererseits.

Der Asynchronmotor hat die denkbar einfachste mechanische Konstruktion. Die elektrische Energie muß nämlich nicht - wie beim Kollektormotor - durch Bürsten und Kollektoren auf den rotierenden Läufer übertragen werden. Vielmehr wird die Energie durch ein rotierendes Magnetfeld im festen Teil, dem Ständer, induktiv in der Weise auf den Läufer übertragen, daß der Läufer gegenüber der Umlaufgeschwindigkeit des rotierenden Ständerfeldes um einen mehr oder weniger großen Anteil, den sogenannten Schlupf, zurückbleibt. Auf einen Betrachter, der an der Oberfläche dieses Läufers gedacht sei, wirkt somit ein mit dieser Schlupffrequenz umlaufendes magnetisches Wechselfeld, durch das in Längsrichtung, d.h. in Axialrichtung auf dem Läufer eine elektrische Spannung induziert wird.

Diese elektrische Spannung verursacht über eine Anzahl von Stäben, die an den Stirnseiten des Läufers kurzgeschlossen sind, einen elektrischen Strom, der auf das umlaufende Magnetfeld eine Kraftwirkung in Richtung des Drehfelds ausübt und somit das Bestreben hat, dem Drehfeld hinterherzulaufen. Hierbei ist es jedoch nicht möglich, daß der Läufer die gleiche Drehzahl wie das Drehfeld erreicht, da dann auf den - gedachten - Betrachter kein Wechselfluß mehr einwirkt, somit keine elektrische Spannung induziert wird und folglich auch in der Kurzschlußschleife kein elektrischer Strom mehr fließt, so daß die Synchrondrehzahl allenfalls mit dem Drehmoment Null zu erreichen ist.

Diese Betrachtung läßt erkennen, daß das Drehfeld stetig umlaufen muß, wenn eine Spannung induziert werden soll, die ein immer gleichgerichtetes Drehmoment durch den daraus resultierenden Strom erzeugt. Ein stetig umlaufendes Magnetfeld ist beispielsweise erreichbar durch drei sinusförmig verlaufende Ströme, die in elektrisch um 120° versetzten, auf der Ständerseite angeordneten Spulen erzeugt werden. Bei sinusförmigen Strömen ist jedoch deren Scheitelwert um das 1,4fache größer als ihr Effektivwert, wobei nur der Effektivwert das Maß für das erreichbare Drehmoment ist. Für die magnetische Ausnutzung der Eisenjoche im Ständer ist jedoch der Scheitelstrom maßgebend, d. h. es darf im Betrieb nicht vorkommen, daß im Scheitelbereich des Stromes Sättigungseffekte im Eisen des Ständers auftreten. Somit ist bei sonst gleichen gegebenen Abmessungen der Maschine nur 70% des maximalen Stromes effektiv in Drehmoment umwandelbar.

Weiter ist zu berücksichtigen, daß ein sinusförmiger Strom auch nur von einer sinusförmigen Spannung erzeugt werden kann. Dies bedeutet, daß eine sinusförmige Spannung, multipliziert mit einem sinusförmigen Strom, bezogen auf deren Scheitelwerte, nur die Hälfte der effektiven Wirkleistung zuläßt. Demgegenüber kann bei rechteckförmigen Strömen und rechteckförmiger Spannung, bei denen der Effektivwert, je nach Flankensteilheit, im wesentlichem dem Scheitelwert entspricht, die magnetische Ausnützung des Eisens optimiert werden.

Wenn man weiterhin berücksichtigt, daß die in elektrischem Sinn um je 120° verschobenen wechselfelderzeugenden Spulen mehrfach auf den Umfang des Ständers verteilt vorhanden sind, so daß während einer Umdrehung des Läufers ein entsprechend häufiger Feldwechsel erfolgt, so bedeutet dies, daß die Frequenz, mit der das Eisen des Ständers ummagnetisiert werden muß, ein um die Polpaarzahl vielfachen Wert gegenüber der Umlauffrequenz des Magnetfeldes haben muß.

Dies bedeutet, daß mit steigender Polzahl die für eine vorgegebene Drehzahl der Maschine erforderliche Ummagnetisierungsfrequenz entsprechend groß wird. Für eine gegebene Eisenqualität steigen die Verluste mit der zweieinhalb-fachen Potenz der Frequenz an. Die Nachteile einer solchen Maschine sind daher in einer Begrenzung der maximal möglichen Polzahl zu sehen.

Die dem Läufer zugewandte Fläche eines Poles ist gleich dem Umfang der Ständerbohrung, dividiert durch die dreifache Polzahl. Da in einem magnetischen Kreis an jeder Stelle die von Feldlinien durchdrungene Fläche gleich sein muß, bedeutet dies andererseits, daß die Ringbreite zwischen Bohrung und Außendurchmesser des Ständers mit kleinerer Polzahl zunimmt. Dadurch steigt das Gewicht der Maschine überproportional an. Im Ergebnis hat der Asynchronmotor bei hohen Frequenzen einen hohen Eisenverlustanteil, andererseits bei niedrigen Polzahlen eine geringe spezifische Leistungsdichte, so daß eine solche Maschine insbesondere für Fahrzeugantriebe zahlreiche Nachteile aufweist.

Günstiger ist in dieser Hinsicht die Kollektorgleichstrommaschine, da in ihr über die mechanischen Stromwender die Spannungen abrupt und somit rechteckförmig umgeschaltet werden. Dadurch kommt in den Läuferspulen dieser Maschine ein annähernd rechteckförmiger Stromfluß zustande. Die Wirkleistung der Maschine ist hier also gleich dem Produkt aus dem Scheitelwert der Spannung und des Stroms.

Der wesentliche Nachteil einer solchen Anordnung besteht jedoch in der Notwendigkeit der Stromwendung durch einen Kollektor, der bei Anwendungen in der Praxis enge Grenzen setzt. Ein wesentliches Problem bei Kollektormaschinen besteht darin, daß die Lage der Stromwendepunkte bezüglich des Erregerfeldes exakt ausgerichtet sein muß. Durch das Ankerfeld, d. h. den Betriebsstrom der Maschine wird das Erregerfeld in seiner effektiven Lage sehr verändert. Da das aus dem Ankerstrom resultierende Ankerfeld und das Erregerfeld in der Regel um einen Winkel von 90° elektrisch gegeneinander versetzt sind, beide Komponenten jedoch je nach Last oder Drehzahl voneinander unabhängig eine unterschiedliche Größe annehmen können, ist das durch geometrische Addition entstehende resultierende Feld geometrisch nicht mehr exakt durch eine feststehende Kollektorenbrücke nachvollziehbar. Dies bedeutet, daß die Lage der Bürsten je nach Änderung der Betriebsparameter auf dem Umfang des Kollektors in einem Bereich von 90° verstellbar sein müßte und dies mit derselben Reaktionsgeschwindigkeit, mit dem sich die Ströme in der Erregerspule und im Anker verändern.

Da auf die im Moment der Stromwendung benachbarten Lamellen ein Kurzschluß durch die Bürsten wirkt, ist zu diesem Zeitpunkt immer ein Spulenpaar des Ankers elektrisch kurzgeschlossen. Daher ist es notwendig, daß in diesem Augenblick sich dieses Spulenpaar, bezogen auf das resultierende Gesamtfeld, in der neutralen Zone befindet, damit in ihr kein Wechselfluß auftritt. Dieser würde nämlich in der Spule einen Kurzschlußstrom erzeugen, der zum einen den Wirkungsgrad der Maschine deutlich absenken und zum anderen an den Bürsten aufgrund der Größe des Kurzschlußstroms beträchtliche Funkenbildung erzeugen und somit die Standzeit der Bürstenkohlen erheblich vermindern würde.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Maschine der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß diese unter Ausnutzung der Vorteile der bekannten Maschinen eine hohe spezifische Leistungsdichte bei weitgehend verschleißfreiem Betrieb sowie einen hohen Wirkungsgrad aufweist.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß zur Spannungs-/Stromwandlung und zur Kommutierung des Stromflusses in der bzw. den Polspulen ein einziges gemeinsames Schaltglied vorgesehen ist, das entsprechend der gewünschten Stromflußrichtung und dem erforderlichen mittleren Strom getaktet ein- bzw. ausgeschaltet wird, wobei die Drehstellung des Läufers über Drehstellungsgeber und der bei eingeschaltetem Schaltglied fließende Strom von einem Stromsensor erfaßt werden, aus deren Signale die zur Kommutierung und getakteten Stromregelung erforderlichen Ansteuersignale für das Schaltglied gebildet werden.

Der durch die Erfindung erreichte Vorteil besteht zunächst darin, daß als verlustbehaftetes Leistungsstellglied und Kommutator nur ein einziges Schaltglied vorhanden ist, so daß einerseits nur Schaltverluste und andererseits nur die Durchlaßverluste dieses einen Schaltgliedes auftreten. Hierdurch wird ein Wirkungsgradvorteil von etwa 10% erreicht. Durch die Erfassung des durch die Polspule fließenden Stroms ist es darüber hinaus möglich, den Stromwendepunkt in Abhängigkeit von der Verlagerung der Feldresultanten unmittelbar neu zu bestimmen.

In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung ist das Schaltglied von einem schnell schaltenden Halbleiterbauelement gebildet. Dabei empfiehlt sich besonders, daß das Schaltglied von einem Leistungs-Feldeffekt-Transistor gebildet ist, insbesondere von einem MOS-Leistungstransistor. Hierdurch lassen sich die Schaltfrequenzen erheblich erhöhen, so daß auf große Glättungsdrosseln verzichtet werden kann. Dadurch wird weiter ein großes Drehzahlverhältnis von etwa 1 : 7 bis 1 : 9 erreicht, da die hohe Schaltfrequenz größere Grenzdrehzahlen zuläßt, ohne bei niedriger Drehzahl eine Leistungseinbuße zu bewirken.

Die Polspulen sind vorteilhafterweise als Gegentaktspulen ausgebildet, wobei die gemeinsame Mittelanzapfung mit dem einen Pol der Speisespannung und die Spulenenden über je ein Schaltglied mit dem anderen Pol der Speisespannung in Verbindung stehen. Um dabei je nach strombeaufschlagter Spulenhälfte einen weitgehend gleichen, aber entgegengesetzten Feldverlauf zu erreichen, sind die Gegentaktspulen zweckmäßigerweise als bifilare Wicklung ausgebildet.

Zur Verminderung von elektromagnetischen Störungen kann die Mittelanzapfung an den positiven Spannungspol über eine LC-Dämpfungsbeschaltung angeschlossen sein.

Der Drehstellungsgeber ist im Rahmen der Erfindung von einer der Zahl der Stränge entsprechenden Anzahl von Abtastern gebildet, die die Information einer mit dem Läufer drehfesten Kodierscheibe abtasten. Dabei kann der Drehstellungsgeber von einer der Zahl der Stränge entsprechenden Anzahl von Magnetfeldsensoren gebildet sein, die die Position der Pole des Läufers erfassen. Ebenso besteht aber auch die ebenfalls vorteilhafte Möglichkeit, daß die Abtaster als optoelektronische Lichtschranken ausgebildet sind, die die auf der Kodierscheibe in digitaler Form angebrachten Informationen erfassen.

In besonders einfacher Ausgestaltung bestehen die Informationen der Kodierscheibe aus äquidistanten, gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordneten und jeweils abwechselnden logischen Ein- bzw. Aus-Zuständen, wobei die paarweise Anzahl der Ein- und Aus-Zustände der Polzahl des Läufers entspricht und wobei die Abtaster um einen festen axialen Drehwinkel gegeneinander verschoben sind, der sich aus dem Quotienten von 360° und dem Produkt aus der Anzahl der Pole und der Anzahl der Stränge ergibt. Dies bedeutet, daß die Abtaster in elektrischer Hinsicht entsprechend der Anzahl der Stränge gleichmäßig über den vollen Phasenwinkel von 360° verteilt angeordnet sind. Darüberhinaus besteht jedoch, insbesondere bei räumlich beengten Verhältnissen, die Möglichkeit, daß jeder der Abtaster zusätzlich um einen Drehwinkel von einem ganzzahligen Vielfachen des von zwei benachbarten Polen aufgespannten Winkels versetzt angeordnet ist.

In einer weiter sehr zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß jeder Abtaster des Drehstellungsgebers zwei zueinander komplementäre Ausgangsspannungen abgibt, deren Polarität jeweils durch die augenblicklich abgetastete Information der Kodierscheibe bestimmt ist, da sich hieraus die Ansteuersignale für die Schaltglieder besonders einfach ableiten lassen.

Der Stromsensor ist zweckmäßigerweise so ausgebildet, daß er galvanisch, induktiv oder in dergl. Weise arbeitet und eine dem Stromfluß proportionale Signalspannung abgibt, deren Polarität durch die Stromflußrichtung und die Ausgangsspannung des zugeordneten Abtasters bestimmt ist.

In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung ist der Stromsensor von einem Hallgenerator gebildet, dessen Strompfad von der Ausgangsspannung des Abtasters gespeist und dessen Hallspannung einem Komparator zugeführt wird, der die Hallspannung mit einem dem Vorgabewert des Fahrstellers entsprechenden Sollwert vergleicht, wobei bei Unterschreiten des Sollwerts das zugehorige Schaltglied geöffnet und bei Überschreiten des Sollwerts das Schaltglied geschlossen wird. Durch die komplementäre Ausgangsspannung des Abtasters wird hierdurch eine selbsttätige Umpolung im Strompfad des Hallgenerators erreicht, so daß die Hallspannung stets in der richtigen Polarität mit dem Vorgabewert verglichen wird. Dabei hat es sich als günstig erwiesen, wenn der Komparator als Schmitt-Trigger mit einer Schalthysterese von ca. 5% beschaltet ist.

Der Stromsensor kann grundsätzlich an jeder hierfür geeigneten Stelle angebracht werden. Insbesondere kann der Stromsensor im Luftspalt zwischen Ständer und Läufer angeordnet sein und die Magnetfeldstärke induktiv erfassen. Eine weitere zweckmäßige Möglichkeit ist, daß der Stromsensor von einem die Zuleitung zur Polspule umschließenden Ringkern gebildet ist, der mit einem Luftspalt und einem im Luftspalt angeordneten Hallgenerator versehen ist.

Weiter sieht die Erfindung in vorteilhafter Weiterbildung vor, daß dem Ausgang des Komparators je ein Leistungstreiber zur Ansteuerung der beiden an die Gegentaktspulen angeschlossenen Schaltglieder nachgeschaltet ist, wobei die beiden Leistungstreiber mit einem Sperreingang versehen sind, in die die zueinander komplementären Ausgangsspannungen des Drehstellungsgebers eingespeist werden.

Die einzelnen, jeweils zum gleichen Strang gehörenden Polspulen können in üblicher Weise miteinander verbunden und von einem einzigen Leistungskreis gespeist sein. Im Rahmen der Erfindung stellt es sich jedoch als besonders vorteilhaft dar, daß für jede Polspule eigene Schaltglieder vorgesehen sind, wobei der Stromsensor, der Komparator und die Leistungstreiber für jeden Strang jeweils nur einfach oder aber auch mehrfach vorgesehen sind. Dadurch treten in jedem Schaltglied vergleichsweise geringere Ströme auf, die besonders schnell und verlustarm geschaltet werden können. Auch führt dadurch der Ausfall eines Schaltgliedes nicht zur Funktionsuntüchtigkeit, sondern nur zu einer geringen Leistungsverminderung der Maschine. Die aus dem Stromsensor, dem Komparator und dem Leistungstreiber bestehende Ansteuereinheit braucht hierbei nur einmal vorhanden zu sein; aus Redundanzgründen empfiehlt es sich jedoch, diese mehrfach, etwa vierfach vorzusehen.

In weiter zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Speisung der Erregerspule des Läufers über ein Regelglied erfolgt, durch das die Erregerspule mit einem sich zur Drehzahl des Läufers reziprok ändernden Strom gespeist wird. Hierzu kann das Regelglied einen Spannungsrampengenerator mit konstanter Spannungsanstiegsgeschwindigkeit aufweisen, dessen zeitlich gemitteltes Ausgangssignal eine proportionale Sollgröße für den Strom durch die Erregerspule bildet, wobei die Spannungsrampe von kurzen Rücksetzimpulsen der Abtaster jeweils in ihre Startbedingung zurückgesetzt wird und die Rücksetzimpulse jeweils bei einem Signalwechsel an den Abtastern ausgelöst werden.

Um bei niedrigen Drehzahlen ein konstantes, drehzahlunabhängiges Drehmoment zu erreichen, ist die Anstiegsgeschwindigkeit des Spannungsrampengenerators so gewählt, daß dessen Ausgangsspannung unterhalb einer festgelegten Läuferdrehzahl einen festen Maximalwert erreicht.

Weiter kann die Länge des Rücksetzimpulses so groß gewählt sein, daß eine stärker als lineare Abnahme des gemittelten Ausgangssignals des Spannungsrampengenerators mit steigender Drehzahl des Läufers auftritt. Bei den üblichen Schaltzeiten der Schaltglieder kann der Rücksetzimpuls eine Dauer von etwa 65 Mikrosekunden besitzen. Dadurch wird erreicht, daß bei hohen Drehzahlen die Gegenspannung sinkt und dadurch der durch die Streuinduktioon verursachte, begrenzte Stromanstieg in den Statorspulen am Kommutationspunkt beschleunigt wird.

Schließlich werden zweckmäßigerweise auch der Strom durch die Erregerspule von einem Schalter taktweise gesteuert und der Schalter von einem Komparator geöffnet, wenn der durch die Erregerspule fließende, an einem Stromfühlerwiderstand gemessene Strom kleiner ist als die von dem zeitlich gemittelten Ausgangssignal des Spannungsrampengenerators gebildete Sollgröße.

Dem Komparator kann hierbei ein Verzögerungsglied nachgeschaltet sein, das ein Wiedereinschalten des Stroms durch die Erregerspule erst nach Ablauf einer Verzögerungszeit ermöglicht. Als günstig hat sich erwiesen, wenn die Verzögerungszeit 11 ms beträgt, da der Erregerstrom in dieser Zeit etwa um 10% seines jeweiligen Wertes abgefallen ist.

Im folgenden wird die Erfindung an einem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine dynamoelektrische Maschine in einer Ausführungsform mit einem Schenkelpolrad, teilweise im Schnitt dargestellt,

Fig. 2 eine dynamoelektrische Maschine in einer Ausführungsform mit einem Klauenpolrad,

Fig. 3 eine nur ausschnittsweise Detaildarstellung eines 32-poligen und 3-strängigen Ständers mit einem als Schenkelpolrad ausgebildeten Läufer in Draufsicht,

Fig. 4 ein Klauenpolrad einer 16-poligen Maschine in der Teilfig. a in Draufsicht, in Teilfig. b im Schnitt und in Teilfig. c in der Ansicht IV nach Teilfig. a,

Fig. 5 einen Stromlaufplan der Statorsteuerung,

Fig. 6 einen Stromlaufplan des Regelkreises,

Fig. 7 ein Zeitdiagramm u.a. des Stroms in den Polspulen,

Fig. 8 ein Zeitdiagramm u.a. der Ansteuersignale für die Schaltglieder,

Fig. 9 ein Zeitdiagramm u.a. des Erregerstroms im Läufer,

Fig. 10 ein Diagramm über die Abhängigkeit des Drehmoments von der Drehzahl.

Die in der Zeichnung dargestellte dynamoelektrische Maschine ist sowohl für den motorischen wie auch den generatorischen Betrieb einsetzbar und als mehrsträngige, n-polige Drehfeldmaschine ausgebildet. In den Fig. 1 bis 4 sind zwei mögliche Ausführungsformen dargestellt, die sich im wesentlichen dadurch unterscheiden, daß der Läufer 1 im einen Fall von einem Klauenpolrad (Fig. 4) und im anderen Fall von einem Schenkelpolrad (Fig. 3) gebildet ist. Ebenso besteht grundsätzlich auch die Möglichkeit, den Läufer 1 als Dauermagnetläufer auszubilden. Der feststehende Ständer 2 ist mit einer der Zahl der Stränge und der Pole 3 entsprechenden Anzahl von in der Zeichnung nur angedeuteten Polspulen 4 versehen, die bei entsprechender Strombeaufschlagung in ihrer Gesamtheit ein magnetisches Drehfeld erzeugen. Dieses Drehfeld erzeugt auf das statische Feld des Läufers 1 ein entsprechendes Moment, wodurch der Läufer 1 in Drehung versetzt wird.

Besteht der Läufer 1 aus einem Klauenpolrad gemäß Fig. 4, so besitzen sämtliche Pole eine gemeinsame Erregerspule 5, die in dem mit 6 angedeuteten Wickelraum eingebracht ist. Ist der Läufer 1 dagegen als Schenkelpolrad gemäß Fig. 3 ausgebildet, so besteht die Erregerspule aus mehreren, der Anzahl der Pole 3 entsprechenden Einzelspulen 7, die dann parallel oder in Reihe geschaltet sein können.

Die Speisung der Erregerspule 5 erfolgt über an der Welle 8 befestigte Schleifringe 9 mit Gleichstrom.

Zum Betrieb der Maschine ist zunächst eine Kommutierungsschaltung erforderlich, die die Stromrichtung in den einzelnen Polspulen 4 der jeweiligen Drehstellung und Drehrichtung des Läufers 1 entsprechend umschaltet, also für eine Weiterschaltung des Feldes in Drehrichtung sorgt. Weiter bedarf es für die Drehzahlregelung der Maschine eines Leistungsstellgliedes, das die Polspulen 4 mit dem jeweils benötigten Strom speist bzw. eine Änderung der Versorgungsspannung bewirkt.

Wie sich insbes. aus dem Stromlaufplan nach Fig. 5 ergibt in dem im folgenden allein auf den obersten der drei Ständerzweige Bezug genommen wird, ist zur Spannungs- /Stromwandlung und zur Kommutierung des Stromflusses in der bzw. den mit L 101 bezeichneten Polspulen 4 ein einziges gemeinsames Schaltglied T 101, T 102 vorgesehen, das entsprechend der gewünschten Stromflußrichtung und dem erforderlichen mittleren Strom getaktet ein- bzw. ausgeschaltet wird. Durch die Zusammenfassung der Leistungsregelung einerseits und der Kommutierung, d. h. des reinen Schaltvorgangs andererseits in einem einzigen Schaltglied T 101, T 102 lassen sich die Schalt- und Durchlaßverluste deutlich verringern.

Für die Ermittlung des richtigen Kommutierungszeitpunktes sind einerseits Drehstellungsgeber LED 101, IC 103 vorgesehen, die die Drehstellung des Läufers 1 gegenüber dem Ständer 2 ermitteln, andererseits Stromsensoren HG 101, die den bei eingeschaltetem Schaltglied T 101, T 102 fließenden Strom erfassen. Dabei dient das Signal des Stromsensors HG 101 gleichzeitig zur Leistungsregelung, so daß eine nach der Kommutierungsvorschrift an sich mit Strom zu beaufschlagende Polspule 4, L 101 kurzzeitig abgeschaltet werden kann, wenn die zugeführte Leistung einen vorgegebenen Sollwert überschreitet. Aus den Signalen des Drehstellungsgebers LED 101, IC 103 und des Stromsensors HG 101 werden also die zur Kommutierung und getakteten Stromregelung erforderlichen Ansteuersignale für das Schaltglied T 101, T 102 gebildet.

Um die Maschine auch bei hohen Polzahlen mit großer Drehzahl betreiben zu können, muß das Schaltglied T 101, T 102 von einem schnell schaltenden Halbleiterbauelement gebildet sein. Hierzu bieten sich insbes. Leistungs-Feldeffekt-Transistoren, vorzugsweise MOS-Transistoren an, wie sie in der Fig. 5 dargestellt sind.

Die Polspulen 4 sind, wie ebenfalls aus Fig. 5 ersichtlich, als Gegentaktspulen ausgebildet, wobei die gemeinsame Mittelanzapfung mit dem positiven Pol U _B der Speisespannung und die Spulenenden jeweils über ein Schaltglied T 101, T 102 mit dem negativen Pol der Speisespannung in Verbindung stehen. Diese Gegentaktspulen sind als bifilare Wicklungen ausgebildet. Durch den Gegentaktbetrieb besteht die Möglichkeit, die Maschine aus einer einfachen, unipolaren Spannungsversorgung zu speisen, wie sie etwa bei Batteriebetrieb gegeben ist. Zur Dämpfung von Störungen ist die Mittelanzapfung über eine LC-Dämpfungsbeschaltung L 104, C 101 am positiven Spannungspol U _B angeschlossen.

Der Drehstellungsgeber LED 101, IC 103 ist von einer der Zahl der Stränge entsprechenden Anzahl von Abtastern gebildet, die die Information einer mit dem Läufer 1 drehfesten Codierscheibe 10 abtasten. Diese Abtaster können entweder von Magnetfeldsensoren gebildet sein, die die Position der Pole des Läufers erfassen. In Fig. 1 sind die Abtaster dagegen als optoelektronische Lichtschranken 11 ausgebildet, die die auf der Codierscheibe 10 in digitaler Form angebrachten Informationen erfassen. Diese Informationen bestehen im einzelnen aus äquidistanten, gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordneten und jeweils abwechselnden logischen Ein- bzw. Aus-Zuständen. Dabei entspricht die paarweise Anzahl der Ein- und Aus-Zustände der Polzahl des Läufers 1. Die einzelnen Abtaster sind um einen festen axialen Drehwinkel gegeneinander verschoben, der sich aus dem Quotienten von 360° und dem Produkt aus der Anzahl der Pole und der Anzahl der Stränge ergibt. Damit liefert jeder Abtaster ein symmetrisches Rechtecksignal, wobei die Anzahl der Perioden des Rechtecksignals bei einer Umdrehung des Läufers 1 genau der Anzahl der Pole 3 der Maschine entspricht. Die Signale der Abtaster untereinander sind dagegen um gleiche Phasenwinkel gegeneinander verschoben, bei einer 3-strängigen Maschine also um 120°. Dabei kommt es nicht darauf an, an welchem der Pole 3 die Abtaster im einzelnen angeordnet sind. Sie können also jeweils um einen Drehwinkel von einem ganzzahligen Vielfachen des von zwei benachbarten Polen 3 aufgespannten Winkels versetzt angeordnet sein.

Die Abtaster des Drehstellungsgebers LED 101, IC 103 geben zwei zueinander komplementäre Ausgangsspannungen ab, deren Polarität jeweils durch die augenblicklich abgetastete Information der Codierscheibe 10 bestimmt ist. Entscheidend ist, daß zwischen den beiden Ausgängen des Abtasters stets eine der Höhe nach gleiche - Spannung anliegt, die beim Umschalten des Drehstellungsgebers LED 101, IC 103 lediglich ihre Polarität ändert.

Der Stromsensor HG 101 ist als induktiv arbeitendes Element ausgebildet, das eine dem Stromfluß proportionale Signalspannung abgibt, deren Polarität durch die Stromflußrichtung und die Ausgangsspannung des zugeordneten Drehstellungsgebers LED 101, IC 103 bestimmt ist. Im einzelnen ist der Stromsensor HG 101 von einem Hallgenerator gebildet, dessen Strompfad von den Ausgängen des IC 103 des Abtasters gespeist und dessen Hallspannung einem Komparator IC 101/1 zugeführt wird. Die Speisung des Hallgenerators HG 101 direkt aus der Ausgangsspannung des Abtasters ergibt den Vorteil, daß unabhängig von der Feldrichtung der Polspule L 101 die Hallspannung stets die gleiche Polarität besitzt. Auf diese Weise kann die Hallspannung durch den Komparator IC 101/1 mit einem am Anschluß A anliegenden Sollwert verglichen werden, der beispielsweise bei Anwendung der Maschine in einem Fahrzeug dem Vorgabewert des Fahrstellers entsprechen kann. Bei Unterschreitung des Sollwertes erzeugt der Komparator IC 101 ein das Schaltglied T 101, T 102 öffnendes Signal, während bei Überschreiten des Sollwerts das Schaltglied T 101, T 102 geschlossen wird. Um hierbei eine zu schnelle Schaltfolge zu vermeiden, ist den Komparator IC 101/1 ein Schmitt-Trigger IC 101/2 mit einer Schalthysterese von von ca. 5% nachgeschaltet.

Der Stromsensor HG 101 kann, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist, im Luftspalt zwischen dem Ständer 2 und dem Läufer 1 angeordnet sein, und dort die Magnetfeldstärke unmittelbar erfassen. Dies ist jedoch nur beim Klauenpolmotor sinnvoll, da dort der Luftspalt größer als bei einem Schenkelpolmotor sein kann. Daher ist es beim Schenkelpolmotor zweckmäßiger, den durch die Polspule L 101 fließenden Strom zu erfassen, wozu der Stromsensor HG 101 in in der Zeichnung nicht näher dargestellter Weise von einem die Zuleitung zur Polspule L 101 umschließenden Ringkern gebildet ist, der einen Luftspalt aufweist, in dem der Hallgenerator angeordnet ist.

Dem Ausgang des Komparators IC 101/1 bzw. des Schmitt-Triggers 101/2 ist je ein Leistungstreiber IC 102 zur Ansteuerung der beiden an die Gegentaktspule L 101 angeschlossenen Schaltglieder T 101, T 102 nachgeschaltet. Dabei sind die beiden Leistungstreiber IC 102 mit einem Sperreingang versehen, in die die zueinander komplementären Ausgangsspannungen des Drehstellungsgebers LED 101, IC 103 eingespeist werden. Dadurch ist sicher gestellt, daß jeweils eines der beiden Schaltglieder T 101, T 102 entsprechend der Drehstellung des Läufers 1 stets gesperrt ist.

Im übrigen sind für jede einzelne Polspule L 101 des Ständers 2 eigene Schaltglieder T 101, T 102 vorgesehen, so daß hierfür Schaltelemente Anwendung finden können, die nicht auf extrem hohe Strombelastungen ausgelegt sein müssen. Da die vorzugsweise verwendeten MOS-Transistoren mit geringsten Ansteuerleistungen auskommen, können sämtliche Schaltglieder T 101, T 102 des gleichen Stranges von einem einzigen Leistungstreiber IC 102 angesteuert werden. Im übrigen ist es auch ausreichend, den Stromsensor HG 101 und den Komparator IC 101/1 für jeden Strang nur einfach vorzusehen. Bei Ausfall eines dieser Bauelemente oder des Schaltgliedes T 101, T 102, an dessen Polspule L 101 der Stromsensor HG 101 angeordnet ist, fiele dann allerdings die gesamte Stromversorgung eines ganzen Stranges aus, während der Defekt eines einzelnen Schaltgliedes T 101, T 102 an sich lediglich zu einer geringen Leistungsabnahme entsprechend dem Anteil dieser Polspule an der Gesamtzahl der Polspulen führen würde. Aus diesem Grund empfiehlt es sich, den Stromsensor HG 101, den Komparator IC 101/1 sowie gegebenenfalls den Leistungstreiber IC 102 mehrfach je Strang vorzusehen.

Die beiden weiteren, der eben beschriebenen identisch entsprechenden Baugruppen für die Polspulen zweier weiterer Stränge arbeiten entsprechend, jedoch entsprechend zeitversetzt.

Die Speisung der Erregerspule 5, L 107 des Läufers 1 erfolgt über ein Regelglied, durch das die Erregerspule L 107 mit einem sich zur Drehzahl des Läufers 1 reziprok ändernden Strom gespeist wird. Hierdurch wird erreicht, daß mit zunehmender Drehzahl eine Abnahme des Drehmoments erfolgt, wie dies in Fig. 10 dargestellt ist. Hieraus ergibt sich eine im wesentlichen drehzahlunabhängige konstante Leistungsabgabe. Dazu weist das Regelglied einen durch T 202 und C 203 (Fig. 6) gebildeten Spannungsrampengenerator mit konstanter Spannungsanstiegsgeschwindigkeit auf, dessen zeitlich gemitteltes Ausgangssignal eine proportionale Sollgröße für den Strom durch die Erregerspule L 107 bildet. Die Spannungsrampe wird über die Anschlüsse B, C, D (Fig. 5 und 6) von kurzen Rücksetzimpulsen der Abtaster jeweils in ihre Startbedingung zurückgesetzt, wobei die Rücksetzimpulse 12 jeweils bei einem Signalwechsel an den Abtastern ausgelöst werden. Daraus ergibt sich das in Fig. 9 dargestellte Zeitverhalten, wobei die Teilfig. a eine niedrige, die Teilfig. b dagegen eine höhere Drehzahl beschreibt. Die Anstiegsgeschwindigkeit des Spannungsrampengenerators ist dabei so gewählt, daß dessen Ausgangsspannung unterhalb einer festgelegten Läuferdrehzahl einen festen Maximalwert erreicht, wie dies aus der Fig. 9a ersichtlich ist. Die Spannung steigt hier bis zu U_ref an und bleibt kurzzeitig bis zum nächsten Rücksetzimpuls 12 konstant. Auf diese Weise ergibt sich bei niedrigen Drehzahlen ein konstantes Drehmoment, wie dies in Fig. 10 dargestellt ist. Die Rücksetzimpulse 12 sind dabei so groß gewählt, daß eine stärker als lineare Abnahme des gemittelten Ausgangssignals des Spannungsrampengenerators mit steigender Drehzahl des Läufers 1 auftritt. In dem Ausführungsbeispiel besitzt der Rücksetzimpuls 12 eine Dauer von etwa 65 ms.

Der Strom durch die Erregerspule L 107 wird ebenfalls von einem Schalter T 107 taktweise gesteuert, wobei der Schalter T 107 von einem Komparator IC 202/1 geöffnet wird, wenn der durch die Erregerspule L 107 fließende Strom kleiner ist als die von dem zeitlich gemittelten Ausgangssignal des Spannungsrampengenerators T 202, C 203 gebildete Sollgröße. Dazu wird der durch die Erregerspule L 107 fließende Strom an einem Stromfühlerwiderstand R 115 gemessen. Dem Komparator IC 202/1 ist ein Verzögerungsglied IC 201/1 nachgeschaltet, das ein Wiedereinschalten des Stroms durch die Erregerspule L 107 erst nach Ablauf einer Verzögerungszeit ermöglicht, die hier zu 11 ms gewählt ist.

In Fig. 7 ist gestrichelt der Strom durch die Polspule L 101 und durchgezogen die Statorgegenspannung dargestellt. Der jeweils erkennbare Abfall des Spulenstroms wird verursacht durch ein kurzzeitiges Abschalten des jeweiligen Schaltgliedes T 101, T 102 , das von der in Fig. 8 durchgezogen dargestellten und mit Gate T 101 bzw. T 102 bezeichneten, rechteckförmigen Spannung angesteuert wird. Zusätzlich ist in Fig. 8 der Verlauf der Hallspannung aufgetragen, die jeweils dann kurzzeitig negativ wird, wenn der Drehstellungsgeber durch Umpolen der komplementären Ausgangsspannungen den Kommutierungsvorgang bereits vorbereitet hat.

Die Bausteine IC 201/2 und IC 202/2 einschließlich der zugehörigen Beschaltung dienen für ABS- bzw. ASR-Betrieb. Die Wirkungsweise und die Vorteile dieser Maschine lassen sich somit wie folgt zusammenfassen: Der Kollektor mechanischer Art, wie er bei Gleichstrommaschinen üblich ist, ist durch eine elektronische Steuerschaltung ersetzt, die es ermöglicht, den Stromwendepunkt in Abhängigkeit von der Verlagerung der Feldresultanten unmittelbar neu zu bestimmen. Die von MOS-Transistoren gebildeten Schaltglieder ermöglichen es, die Leistung der Maschine stufenlos einzustellen. Dazu ermittelt ein in der Wicklung oder im Feld vorgesehener Stromsenor den Spulenstrom und vergleicht diesen mit einem vorgegebenen Sollwert. Mit Erreichen des Sollwerts in den Spulen wird der momentan Strom führende Transistor der jeweiligen Spule abgeschaltet. Der in diesem Moment fließende Strom versucht nun, in der Spule weiter zu fließen, bis seine im Magnetfeld gespeicherte Energie abgebaut ist. Er fließt also Rückstrom in die Stromquelle über in dem Schaltglied eingebaute Dioden zurück. Für die Stromquelle bedeutet dies eine Verringerung der Stromaufnahme, wobei aber das Drehmoment in seiner Richtung erhalten bleibt. In dem Maße, wie die durch die Rotation im Magnetfeld entstehende Gegenspannung der Maschine sich der Klemmenspannung der Maschine annähert, wird die Stromanstiegsgeschwindigkeit geringer.

Sobald ein zu betrachtendes Spulenpaar durch den Erregerpol durchgelaufen ist und somit eine andere Richtung des Erregerfeldes wirksam wird, muß sich die Stromrichtung genau in dem Punkt umdrehen, in dem die Gegenspannung der Maschine durch Null geht. Dies ist der Fall, wenn die Polfläche des Erregerpoles die Spulenfläche gerade vollständig ausfüllt. Die daraus resultierende Feldkomponente bewirkt, daß die Gegen-EMK der Maschine zu Null wird. Dadurch steigt die Differenz zwischen der Gegen-EMK und Klemmenspannung sehr stark an und bewirkt eine hohe zeitliche Stromänderung. Dadurch steigt der Strom in der Spule stark an. Da er jedoch durch den Stromsensor überwacht wird, schaltet dieser den Strom in den Transistoren auf den jeweiligen Gegentransistor um. Dadurch wird ein Abklingen des Stromes auf Null und ein sofortiges Wiederansteigen in die Gegenrichtung bewirkt, wie dies aus Fig. 7 ersichtlich ist. Auf diese Weise kann der Spannungsnulldurchgang der Gegen-EMK erkannt werden, und somit eine Stromwendung zum exakt richtigen Zeitpunkt eingeleitet werden. Da dieser Vorgang rein elektrische Ursachen hat, ist er von den mechanischen Gegebenheiten der Maschine völlig unabhängig.

Auf diese Weise kann das Drehmoment von Null bis zum Nennmoment unabhängig von der Drehzahl allein über die vorgegebene Sollstromstärke bestimmt werden. Allerdings würde von dem Moment an, bei dem die Gegenspannung der Maschine die Klemmenspannung durch Zunahme der Drehzahl erreicht, ein weiterer Stromfluß unterbunden. Um dies zu vermeiden, läßt sich der Drehzahlbereich der Maschine bei gleichen Bedingungen im Leistungskreis dadurch steigern, daß mit zunehmender Drehzahl die Erregerfeldstärke im Läufer zurückgenommen wird. Dadurch sinkt im selben Maße die Gegen-EMK der Maschine. Es ist somit nur nötig, durch eine Feldregeleinrichtung dafür zu sorgen, daß mit steigender Drehzahl eine Feldreduzierung derart erfolgt, daß die Gegen-EMK stets unter der Klemmenspannung der Maschine bleibt. In diesem Zustand, dem sog. Feldstellbereich der Maschine, läßt sich das Feld um einen Faktor 5 abschwächen und damit die Drehzahl bei gleicher Leistungsaufnahme um den Faktor 5 steigern. Dies hat eine entsprechende Abnahme des Drehmoments zur Folge, da dieses sich aus dem Produkt aus Spulenstrom im Ankerkreis und der magnetischen Induktion des Erregerfeldes ergibt. Der Motor folgt daher in diesem Bereich einer Leistungshyperbel mit konstanter Leistung, wie dies in Fig. 10 dargestellt ist. Die Leistungsregelung ist dagegen über den Strom im Spulenfeld uneingeschränkt möglich.

Um einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen, muß die Verlustleistung insbes. in den Schaltgliedern so gering wie möglich gehalten werden. Dazu muß zunächst der innere Widerstand der Schaltelemente so niedrig wie möglich sein. Dies wird durch eine Aufteilung des Gesamtstroms auf eine Vielzahl einzelner Transistoren erreicht, die nun nicht alle Spulen gemeinsam sondern jeweils nur eine einzelne Polspule ansteuern. Dadurch fließt in jedem einzelnen Kreis nur der entsprechende Bruchteil des Gesamtstromes, wodurch der Spannungsabfall niedrig gehalten werden kann.

Weiter ist auf ein möglichst ideales Schaltverhalten der Schaltglieder zu achten. Übliche hierfür verwendete Bauelemente, also bipolare Tranistoren, Thyristoren oder GTO-Thyristoren ermöglichen nur relativ große Schaltzeiten, wodurch der ansich abzuschaltende Strom noch für einen gestimmten Zeitraum weiter fließt. Dieser Strom trägt jedoch nicht zum Drehmoment bei, sondern wird im Schaltglied in Wärme umgesetzt. Die Verwendung von MOS-Transistoren bietet daher hier wegen ihrer um vergleichsweise um Zehnerpotenten größeren Schaltschnelligkeit erhebliche Vorteile.

Für die Speisung der Erregerspule muß die Maschine zwar noch mit mechanisch arbeitenden Schleifringen versehen sein, wobei gegenüber der Gleichstrommaschine jedoch der wesentliche Vorteil besteht, daß diese Schleifringe keine Lamellierung besitzen und somit weniger Reibung verursachen. Im übrigen ist der über die Schleifringe zu übertragende Erregerstrom etwa zwei Zehnerpotenten kleiner als der über den Kommutator zu übertragende Wirkstrom bei einer entsprechenden Gleichstrommaschine. Die somit verringerte Abbrandgefahr und das Fehlen der Stromwendungen verleihen den mit den Schleifringen in Verbindung stehenden Bürsten wesentlich höhere Laufleistungen, wobei die Bürsten wegen der geringeren Ströme auch deutlich geringere Abmessungen aufweisen können.

Durch Anheben der Erregerströme läßt sich die Maschine unmittelbar ohne jede weitere zusätzliche Maßnahme in den Generator- also den Bremsbetrieb überführen.

Durch die automatische Erkennung des Stromwendepunktes ergibt sich bei dieser Maschine auch eine wesentliche Vereinfachung bei der Drehrichtungsumkehr. Bei einer Drehrichtungsummkehr ist das Ankerfeld spiegelsymmetrisch um das Erregerfeld geklappt, d. h. der resultierende Feldvektor ist bei umgekehrter Drehrichtung exakt um den Vektor des Erregerfeldes gespiegelt. Für eine Kollektormaschine bedeutet dies, daß die Bürstenbrille um die für den Leerlauf gültige neutrale Zone gespiegelt werden müßte, um auch bei umgekehrter Drehrichtung einen einheitlich gleichen Lauf zu erzielen. Da dies einen erheblichen Aufwand bedeuten würde, nimmt man derzeit in Kauf, daß der Wirkungsgrad in der entgegen gesetzten Drehrichtung der Maschine deutlich unter dem Wert in der Normalrichtung liegt. Dies bedeutet bei zahlreichen Anwendungen eine erhebliche Einschränkung.

Weiter ist sowohl bei Asynchron- als auch bei Gleichstrommaschinen die maximal mögliche Polpaarzahl beschränkt. Neben der eingangs schon erwähnten frequenzabhängigen Verluste bei der Asynchronmaschine muß der Erregerstrom als Blindstrom in jedem einzelnen Segment erzeugt werden. Dies bedeutet, daß bei einer hohen Polpaarzahl für jedes einzelne Segment die entsprechende Durchflutung einzeln erbracht werden muß. Damit ist die Gesamtdurchflutung, die in der Maschine aufgebracht werden muß, um die Polpaarzahl mal größer als die für ein einzelnes Segment notwendige Durchflutung. Bei mehr als acht Polpaarzahlen führt dies zu einem unerträglichen Anstieg des Erregerblindstromes, der dann die Größenordnung des Nennstroms erreicht und somit die Verluste im Steller unerträglich erhöht. Dieses Problem ließe sich nur durch extrem kleine Luftspalte zwischen Ständer und Läufer verringern, was jedoch hohe Forderungen an die Präzision der Maschine stellen würde. Zusätzlich müßte eine optimale Zentrizität des Läufers in der Ständerbohrung erreicht werden, da unterschiedlich breite Luftspalte unterschiedliche Induktionen im Umfangsbereich erzeugen würden.

Bei der Gleichstromkommutatormaschine würde eine Erhöhung der Polpaarzahl zu einer entsprechenden Erhöhung der Bürstenpaarzahl des Kollektors führen. Mit zunehmender Bürstenzahl würde aber die Nennspannung auf einem immer kleineren Segment des Kollektors anstehen, da die Bürsten abwechselnd unterschiedliche Polarität haben. Da bei einem schleifenden Kontakt die Spannung zwischen zwei Lamellen den Wert von 30 V unter keinen Umständen überschreiten darf, müssen entsprechend viele Lamellen zwischen den Bürsten angebracht werden. Dadurch würden die Lamellen so schmal, daß sie nicht mehr in der Lage wären, den Strom zu führen. Dem könnte zwar durch eine Vergrößerung des Kollektordurchmessers begegnet werden, wodurch sich aber die Umfangsgeschwindigkeit an der Oberfläche der Kollektorlamellen auf unzulässige Werte erhöhen würde mit der Folge einer erhöhten Abnutzung der Bürsten.

Ferner wird die Gleichstromkommutatormaschine bei hoher Lamellenspannung empfindlich gegen Rundfeuer, wodurch die Standfestigkeit der Maschine reduziert wird. Aus diesem Grund wird der Asynchronmotor trotz seiner aufwendigen Steuerung der Kollektormaschine vorgezogen.

Durch die Vereinigung der Vorteile beider Maschinentypen ist es somit möglich, eine vielpolige Maschine zu bauen und hierdurch die Vorteile des geringen Leistungsgewichtes voll auszunutzen. Dadurch besteht die Möglichkeit, die spezifischen Verluste im Eisen durch Erhöhung der Frequenz zwar relativ zu steigern, die absoluten Verluste aber durch den wesentlich geringeren Anteil an Masse auf ein übliches Maß zu senken.

Bei dem Steuerprinzip nach der Erfindung sinkt bei steigender Drehzahl entlang der Leistungshyperbel die magnetische Induktion des Erregerfeldes kontinuierlich ab. Damit wirkt sich die Erhöhung der Frequenz bei steigender Drehzahl nicht nachteilig auf die Gesamtverlustleistungsbilanz aus. Das bedeutet, daß mit einer Verdopplung der Frequenz und der dabei gleichzeitig auftretenden Halbierung der Feldstärke im Grunde nur eine Verdopplung der Verluste und nicht eine Potenzierung um den Faktor 2,5 entsteht.

Im Ergebnis ist es dadurch auch möglich, relativ kurze, im Durchmesser etwas größere Maschinen zu bauen oder - bei gleichem Außendurchmesser - aufgrund der wesentlich geringeren Paketrückenhöhe die Bohrung entsprechend zu vergrößern, wodurch ein längerer Hebelarm und somit ein größeres Drehmoment erreicht wird. Dies kann dazu genutzt werden, die Paketschichthöhe und dadurch die Baulänge zu verkürzen. Durch den Wegfall des für die Unterbringung eines Kollektors benötigten Raumes ergibt sich weiter eine um etwa 40% geringere Maschinenlänge.

Claims (27)

1. Dynamoelektrische Maschine, insbesondere mehrsträngige, n-polige Drehfeldmaschine zum motorischen oder generatorischen Einsatz, mit einem feststehenden Ständer (2), der mit einer der Zahl der Stränge und der Pole entsprechenden Anzahl von Polspulen (4) versehen ist, die bei entsprechender Strombeaufschlagung in ihrer Gesamtheit ein magnetisches Drehfeld erzeugen, sowie mit einem im Bereich des Drehfeldes und koaxial zum Ständer (2) angeordneten, gegenüber dem Ständer (2) drehbar gelagerten Läufer (1), der als Dauermagnetläufer oder als zumindest eine Erregerspule (5) aufweisendes Klauen- oder Schenkelpolrad ausgebildet ist, wobei die Erregerspule (5) über Schleifringe (9) mit Gleichstrom gespeist wird, ferner mit einem Leistungsstellglied zur Spannungs-/ Stromwandlung für die Drehzahlregelung der Maschine, sowie mit einer Kommutierungsschaltung, die die Stromrichtung in den einzelnen Polspulen (4) der jeweiligen Drehstellung und Drehrichtung des Läufers (1) entsprechend umschaltet, dadurch gekennzeichnet, daß zur Spannungs-/Stromwandlung und zur Kommutierung des Stromflusses in der bzw. den Polspulen (4) ein einziges gemeinsames Schaltglied (T 101, T 102) vorgesehen ist, das entsprechend der gewünschten Stromflußrichtung und dem erforderlichen mittleren Strom getaktet ein- bzw. ausgeschaltet wird, wobei die Drehstellung des Läufers (1) über Drehstellungsgeber (LED 101, IC 103) und der bei eingeschaltetem Schaltglied fließende Strom von einem Stromsensor (HG 101) erfaßt werden, aus deren Signale die zur Kommutierung und getakteten Stromregelung erforderlichen Ansteuersignale für das Schaltglied (T 101, T 102) gebildet werden.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltglied (T 101, T 102) von einem schnell schaltenden Halbleiterbauelement gebildet ist.

3. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltglied (T 101, T 102) von einem Leistungs-Feldeffekt-Transistor gebildet ist.

4. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Polspulen (4, L 101) als Gegentaktspulen ausgebildet sind, wobei die gemeinsame Mittelanzapfung mit dem einen Pol der Speisespannung (U _B ) und die Spulenenden über je ein Schaltglied (T 101, T 102) mit dem anderem Pol der Speisespannung in Verbindung stehen.

5. Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegentaktspulen (L 101) als bifilare Wicklung ausgebildet sind.

6. Maschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelanzapfung an den positiven Spannungspol (U _B ) über eine LC-Dämpfungsbeschaltung (L 104, C 101) angeschlossen ist.

7. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehstellungsgeber (LED 101, IC 103) von einer der Zahl der Stränge entsprechendem Anzahl von Abtastern gebildet ist, die die Information einer mit dem Läufer (1) drehfesten Kodierscheibe (10) abtasten.

8. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehstellungsgeber von einer der Zahl der Stränge entsprechenden Anzahl von Magnetfeldsensoren gebildet ist, die die Position der Pole des Läufers (1) erfassen.

9. Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtaster als optoelektronische Lichtschranken (11) ausgebildet sind, die die auf der Kodierscheibe (10) in digitaler Form angebrachten Informationen erfassen.

10. Maschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Informationen der Kodierscheibe (10) aus äquidistanten, gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordneten und jeweils abwechselnden logischen Ein­ bzw. Aus-Zuständen bestehen, wobei die paarweise Anzahl der Ein- und Aus-Zustände der Polzahl des Läufers (1) entspricht und wobei die Abtaster um einen festen axialen Drehwinkel gegeneinander verschoben sind, der sich aus dem Quotienten von 360° und dem Produkt aus der Anzahl der Pole und der Anzahl der Stränge ergibt.

11. Maschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Abtaster zusätzlich um einen Drehwinkel von einem ganzzahligen Vielfachen des von zwei benachbarten Polen aufgespannten Winkels versetzt angeordnet ist.

12. Maschine nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Abtaster des Drehstellungsgebers (LED 101, IC 103) zwei zueinander komplementäre Ausgangsspannungen abgibt, deren Polarität jeweils durch die augenblicklich abgetastete Information der Kodierscheibe (10) bestimmt ist.

13. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromsensor (HG 101) galvanisch, induktiv oder in dergl. Weise arbeitet und eine dem Stromfluß proportionale Signalspannung abgibt, deren Polarität durch die Stromflußrichtung und die Ausgangsspannung des zugeordneten Abtasters bestimmt ist.

14. Maschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromsensor (HG 101) von einem Hallgenerator gebildet ist, dessen Strompfad von der Ausgangsspannung des Abtasters gespeist und dessen Hallspannung einem Komparator (IC 101/1) zugeführt wird, der die Hallspannung mit einem dem Vorgabewert des Fahrstellers entsprechenden Sollwert vergleicht, wobei bei Unterschreiten des Sollwerts das zugehörige Schaltglied (T 101, T 102) geöffnet und bei Überschreiten des Sollwerts das Schaltglied (T 101, T 102) geschlossen wird.

15. Maschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (IC 101/1) als Schmitt-Trigger (IC 101/2) mit einer Schalthysterese von ca. 5% beschaltet ist.

16. Maschine nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromsensor (HG 101) im Luftspalt zwischen Ständer (2) und Läufer (1) angeordnet ist und die Magnetfeldstärke induktiv erfaßt.

17. Maschine nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromsensor (HG 101) von einem die Zuleitung zur Polspule (L 101) umschließenden Ringkern gebildet ist, der mit einem Luftspalt und einem im Luftspalt angeordneten Hallgenerator (HG 101) versehen ist.

18. Maschine nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ausgang des Komparators (IC 101/1) je ein Leistungstreiber (IC 102) zur Ansteuerung der beiden an die Gegentaktspulen (L 101) angeschlossenen Schaltglieder (T 101, T 102) nachgeschaltet ist, wobei die beiden Leistungstreiber (IC 102) mit einem Sperreingang versehen sind, in die die zueinander komplementären Ausgangsspannungen des Drehstellungsgebers (IC 103) eingespeist werden.

19. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Polspule (L 101) eigene Schaltglieder (T 101, T 102) vorgesehen sind, wobei der Stromsensor (HG 101), der Komparator (IC 101/1) und die Leistungstreiber (IC 102) für jeden Strang jeweils nur einfach oder aber auch mehrfach vorgesehen sind.

20. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisung der Erregerspule (L 107) des Läufers (1) über ein Regelglied erfolgt, durch das die Erregerspule (5) mit einem sich zur Drehzahl des Läufers reziprok ändernden Strom gespeist wird.

21. Maschine nach einem der Ansprüche 7 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelglied einen Spannungsrampengenerator (T 202, C 203) mit konstanter Spannungsanstiegsgeschwindigkeit aufweist, dessen zeitlich gemitteltes Ausgangssignal eine proportionale Sollgröße für den Strom durch die Erregerspule (L 107) bildet, wobei die Spannungsrampe von kurzen Rücksetzimpulsen (12) der Abtaster jeweils in ihre Startbedingung zurückgesetzt wird und die Rücksetzimpulse (12) jeweils bei einem Signalwechsel an den Abtastern ausgelöst werden.

22. Maschine nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Anstiegsgeschwindigkeit des Spannungsrampengenerators (T 202, C 203) so gewählt ist, daß dessen Ausgangsspannung unterhalb einer festgelegten Läuferdrehzahl einen festen Maximalwert erreicht.

23. Maschine nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Rücksetzimpulses (12) so groß gewählt ist, daß eine stärker als lineare Abnahme des gemittelten Ausgangssignals des Spannungsrampengenerators (T 202, C 203) mit steigender Drehzahl des Läufers (1) auftritt.

24. Maschine nach den Ansprüchen 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Rücksetzimpuls 12 eine Dauer von etwa 65 Mikrosekunden besitzt.

25. Maschine nach den Ansprüchen 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom durch die Erregerspule (L 107) von einem Schalter (T 107) taktweise gesteuert und der Schalter (T 107) von einem Komparator (IC 202/1) geöffnet wird, wenn der durch die Erregerspule (L 107) fließende, an einem Stromfühlerwiderstand (R 115) gemessene Strom kleiner ist als die von dem zeitlich gemittelten Ausgangssignal des Spannungsrampengenerators (T 202, C 203) gebildete Sollgröße.

26. Maschine nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß dem Komparator (IC 202/1) ein Verzögerungsglied (IC 201/1) nachgeschaltet ist, das ein Wiedereinschalten des Stroms durch die Erregerspule (L 107) erst nach Ablauf einer Verzögerungszeit ermöglicht.

27. Maschine nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungszeit des Verzögerungsglieds IC 201/1 11 ms beträgt.