DE4012561A1

DE4012561A1 - Elektronisch gesteuerter elektromotor mit steuerpolen am stator

Info

Publication number: DE4012561A1
Application number: DE4012561A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dipl Ing Menge
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-02-06
Filing date: 1990-04-20
Publication date: 1991-10-24

Description

Zusatz zur deutschen Patentanmeldung P 40 03 455.0.

Die Erfindung betrifft einen elektronisch gesteuerten Elek tromotor, dessen Statorwicklungsstrom vom Rotor gesteuert über Primär- und Sekundär-Pole mit Spulen über einen Halb leiter eingeschaltet wird, insbesondere nach Patentanmel dung P 40 03 455.0, wobei der Motor für beliebige Dreh zahlen ausgelegt ist.

Bei der Hauptpatentanmeldung sind als den Statorstrom ein schaltende Halbleiter solche der Art angegeben, die nur beim Nulldurchgang oder Nullwerden des Stromes ausschalten, beispielsweise Triac oder Thyristor, womit sich für die sen Motor, wie dort beschrieben nach seinem Anlauf aus schließlich Synchrondrehzahl ergibt.

Die Aufgabe der vorliegenden Zusatzerfindung ist ein Elek tromotor mit sonst gleichen Eigenschaften wie nach der Hauptpatentanmeldung, jedoch auch für andere Drehzahlen als die Synchrondrehzahl, insbesondere höhere Drehzahlen geeignet, wobei ein Frequenzumrichter mit seinem zwang weise hohem Bauaufwand nicht erforderlich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Motor ähnlich wie nach der Hauptpatentanmeldung mit folgender Ausführung gelöst:

- Stator mit einem oder mehreren drehmomenterzeugenden Pol paaren, die eine Wicklung tragen und im folgenden Dreh momentpolpaare genannt werden.
- In der Rotordrehrichtung gesehen vor jedem Drehmomentpol paar ein Steuerpolpaar, das aus einem Pol mit Primärwick lung und einem Pol mit Sekundärwicklung besteht, wobei der Steuerwinkel zwischen Drehmomentpolpaar und dazu gehörendem Steuerpolpaar zur Drehsinnbestimmung in der Rotordrehrichtung kleiner als 90° beträgt.
- Rotor, vorzugsweise Reluktanzrotor, der in einer Diago nalen einen wesentlich kleineren magnetischen Wider stand gegenüber den Statorpolen aufweist und keine Wick lung haben muß.
- Eine mit den Statorwicklungen und der Spannungsquelle verbundene elektronische Schaltung mit einem steuerbaren Halbleiter, vorzugsweise Transistor, auch Feldeffekt- Transistor oder GTO-Thyristor für jeden aus Drehmoment polpaar und Steuerpolpaar bestehenden Statorstrang, wobei der Halbleiter und damit der Strom in der Wicklung des Drehmomentpolpaares eingeschaltet wird, wenn der Rotor eine Drehwinkelstellung hat, in der er den magnetischen Fluß zwischen Primärsteuerpol und Sekundärsteuerpol so koppelt, daß in der Sekundärwicklung ausreichend hohe Spannung entsteht.
- Die Primärwicklung wird laufend vom Strom durchflossen. Damit wird der Rotor mit kleinem Drehmoment zwischen die Steuerpole gedreht, wo er das Einschalten des Sromes für die dazugehörende Drehmomentwicklung bewirkt, wodurch der Rotor mit großem Drehmoment weitergedreht wird. So bald der Rotor aus dem Bereich der Steuerpole herausge dreht ist, schaltet der Transistor aus oder wird der GTO- Thyristor ausgeschaltet.
- Der Motor läuft auch an hohen Frequenzen an und hoch, weil der Strom in den Drehmomentwicklungen nur dann ein geschaltet wird, wenn der Rotor den drehmomenterzeugenden Drehwinkelbereich erreicht hat.

Wie nach der Hauptpatentanmeldung wird der Motor an Wechsel strom oder pulsierenden Gleichstrom angeschlossen. Er ist aber auch für den Anschluß an Gleichstrom ausführbar.

Wenn der Motor nach der Zusatzpatentanmeldung an Wechsel strom angeschlossen wird, wird, wenn beide Halbwellen ge nutzt werden sollen, vor den die Drehmomentwicklung ein schaltenden Halbleiter, jedoch nicht vor die Primärwicklung ein Vierweggleichrichter gesetzt, desen Plus- und Minus- Anschlüsse vorteilhafterweise wie bekannt mit einem Konden sator zur Glättung der Spannungslücken überbrückt werden.

Der in der Sekundärsteuerspule induzierte Wechselstrom wird mit einem Vierweggleichrichter gleichgerichtet und dann der Steuerelektrode des Transistors zugeführt und zum entgegengesetzten Anschluß des Vierweggleichrichters zurückgeleitet.

Wenn als einschaltender Halbleiter ein GTO-Thyristor ver wendet wird, entfällt der Vierweggleichrichter hinter der Sekundärsteuerwicklung.

Beim direkten Anschluß der Primärsteuerspule an die den Motor speisende Wechselspannung oder pulsierende Gleich spannung läuft der Motor vorzugsweise mit n (U/s)= f (Hz). Bei höherer Belastung ergibt sich eine kleinere und bei geringerer Belastung eine höhere Drehzahl.

Wenn als einschaltender Halbleiter ein GTO-Thyristor ein gesetzt wird, ist es gegebenenfalls zweckmäßig, zusätzliche Schaltmittel zum Aufbereiten oder auch Verstärken des ein- und ausschaltenden Stromimpulses einzusetzen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird zum Er reichen noch höherer Drehzahlen die Frequenz des der Primär steuerwicklung zugeführten Stromes erhöht. Weil zur Steuer ung des die Drehmomentwicklung einschaltenden Halbleiters kleine Leistung ausreicht und weil auch pulsierender Gleich strom für die Primärsteuerwicklung geeignet ist, sind für diese Frequenzerhöhung sehr einfache, bekannte elektronische Schaltungen, wie beispielsweise eine astabile Kippschaltung verwendbar.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist, wie auch in der Hauptpatentanmeldung beschrieben und dargestellt, im Primärsteuerpol ein Permanentmagnet angeordnet, der zusam men mit dem sich drehenden Rotor in der Sekundärsteuerwick lung eine Bewegungsspannung induziert. Diese induzierte Bewegungsspannung bestimmt dann die Drehzahl des Motors, wenn die Primärsteuerspule stromlos ist. Deshalb wird er findungsgemäß vorgeschlagen, Mittel vorzusehen, mit denen die Primärsteuerwicklung nach dem Anlauf des Motors ausge schaltet werden kann. Ein solches Mittel ist zum Beispiel ein Schalter in einer Verbindungsleitung für die Primär steuerwicklung.

Ein solches Mittel ist in einem anderen Beispiel ein Ein- und Umschalter mit dem wahlweise die Netzleitung entweder mit den Verbindungsleitungen zu den Drehmomentwicklungen und zu der Primärsteuerwicklung oder allein zu den Verbin dungsleitungen zu den Drehmomentwicklungen verbunden wird. Mit einem derartigen Umschalter ist der Motor zwischen hoher und niedriger Drehzahl umschaltbar.

Ein anderes solches Mittel ist ein Zeitschalter, vorzugs weise elektronischer Art, in einer Verbindungsleitung zur Primärsteuerwicklung, der in der Regel nach dem Anlauf des Motors die Primärsteuerwicklung ausschaltet.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Mo tor mit Außenrotor ausgeführt. Weil der Rotor des erfin dungsgemäßen Motors keine Wicklung und auch keinen Kurz schlußkäfig braucht, ist er für die Außenrotorbauweise besonders gut geeignet.

Der erfindunggemäße Motor bringt dort gewerblichen Nutzen, wo beispielsweise kostengünstige Gebläse mit hoher Dreh zahl, damit kompakter Bauweise und mit langen Betriebs zeiten ohne Wartung gebraucht werden, wie beispielsweise Kühlgebläse oder Gebläse für gewerbliche Staubsauger. Auch für schnellaufende Schleifmaschinen als weiteres Beispiel ist der Motor gut geeignet. Die einfache Um schaltung zwischen zwei Drehzahlen macht diesen Motor für weitere Einsatzzwecke interessant.

Ausführungsbeispiele der Zusatzerfindung sind mit den Zeichnungen dargestellt und werden wie folgt beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Draufsicht auf den Motor mit Innen-Rotor sowie einem Drehmomentpolpaar und einem Steuerpolpaar.

Fig. 2 Draufsicht auf einen solchen Motor mit Außen- Rotor.

Fig. 3 Schaltbild für einen Motor mit Schalter oder Zeit schalter für die Primärsteuerwicklung nach Fig. 1. oder 2.

Fig. 4 Schaltbild mit Umschalter für die Primärsteuer wicklung für einen Motor nach Fig. 1. oder 2.

Fig. 5 Schaltbild für Gleichstromanschluß mit Oszillator für die Primärsteuerwicklung für einen Motor nach Fig. 1. oder 2.

In Fig. 1 sowie Fig. 2 stellen dar:

1 Stator
2 Reluktanzrotor
3 Drehmomentpolpaar
4 Primärsteuerpol
5 Sekundärsteuerpol
6 Wicklungen auf dem Drehmomentpolpaar
7 Primärsteuerwicklung
8 Sekundärsteuerwicklung
α Steuerwinkel.

Der Rotor 2 ist in einer Drehwinkelstellung dargestellt, in welcher er den Magnetfluß vom Primärsteuerpol 4 zum Sekun därsteuerpol 5 koppelt. In dieser Stellung kann der Rotor 2 in Richtung Drehmomentpolpaar 3 anlaufen. Wenn er bereits angelaufen ist, wird er um den Winkel α weitergedreht. An schließend rotiert er mit seinem Trägheitsmoment bis 180° gegenüber der gezeichneten Stellung weiter.

In Fig. 3 stellen dar:
Wicklungen 6 auf dem Drehmomentpolpaar, die einerseits über den einschaltenden Halbleiter 21 mit dem Plusanschluß und andererseits mit dem Minusanschluß des Vierweggleich richters 20 verbunden sind. Einschaltender Halbleiter 21, im Beispiel Transistor, dessen Basis dann vom Vierweg gleichrichter 25 über den Widerstand 26 Strom zugeführt wird, wenn der hier symbolisch dargestellte Rotor 2 zur Sekundärsteuerwicklung 8 den Wechselfluß aus dem Primär steuerpol mit seiner Wicklung 7 koppelt und/oder nach dem Anlauf den magnetischen Fluß aus dem Permanentmagneten 12 zum Sekundärsteuerpol leitet und dort in der Wicklung 8 eine Bewegungsspannung induziert. Bekannt sind in derarti gen Schaltungen der Kondensator 22 zur Glättung des gleich gerichteten Wechselstromes und als Schutzschaltung die Frei laufdiode 23 mit dem Widerstand 24 zur Milderung des Span nungsanstieges am ausschaltenden Halbleiter 21. Mit 29 ist ein Schalter dargestellt, mit dem der Strom für die Primär steuerwicklung 7 dann ausgeschaltet werden kann, wenn nach dem Anlauf des Rotors 2 die Bewegungsspannung aus dem Permanentmagneten 12 zum Einschalten des Halbleiters 21 ausreicht. Als Schal ter 29 ist auch ein Zeitschalter vorzugsweise elektronischer Art verwendbar, der den Strom für die Primärsteuerwicklung 7 nach dem Anlauf selbsttätig ausschaltet.

Fig. 4 stellt dar:
Es ist weitgehend die gleiche Schaltung wie Fig. 3. Die unterschiedliche Ausführung besteht darin, daß ein Schalter 30 in ausgeschalteter Stellung dargestellt ist, mit dem in seiner ersten Einschaltstellung sein Schaltfinger den Punkt a mit den Punkten b und c verbindet und damit den Stromfluß durch den Vierweggleichrichter 20 und die Primärsteuerwick lung 7 bewirkt und in seiner zweiten Einschaltstellung den Punkt a nur mit dem Punkt b allein verbindet, womit der Strom nur durch den Vierweggleichrichter 20, aber nicht durch die Primärsteuerwicklung 7 fließt.

Fig. 5 stellt dar:
Es ist weitgehend die gleiche Schaltung wie in Fig. 3 und 4 dargestellt. Die unterschiedliche Ausführung besteht darin, daß ein Oszillator 31 im Beispiel als astabile Kippschaltung bekannter Art dargestellt ist, die pulsierenden Gleichstrom vorzugsweise mit hoher Frequenz durch die Primärsteuerwick lung fließen läßt. Mit einem Oszillator 31 ist der erfin dungsgemäße Motor auch für den direkten Anschluß an Gleich spannung geeignet, damit entfallen gegenüber den Schaltun gen nach Fig. 3 und 4 der Vierweggleichrichter 20 und der Kondensator 22.

In Fig. 3, Fig. 4 und Fig. 5 wurden wegen besserer Über sichtlichkeit solche Schaltmittel nicht dargestellt, die allgemein bekannt sind, um die Schaltströme oder Schalt spannungen zu verstärken oder anders aufzubereiten oder als Schutzbeschaltung für den Halbleiter 21 vorteilhaft sind.

Claims

1. Elektronisch gesteuerter Elektromotor mit Steuerpolen am Stator, in denen dann der Steuerstrom für einen den Strom in den dazugehörenden Drehmomentwicklungen ein schaltenden Halbleiter induziert wird, wenn der Rotor, vorzugsweise Reluktanzrotor als Innenrotor oder Außen rotor ausgeführt, sich im drehmomentwirksamen Bereich befindet, für den Anschluß an Einphasen-Wechselspannung oder pulsierende Gleichspannung oder Gleichspannung, insbesondere nach der deutschen Patentanmeldung P 40 03 455.0, dadurch gekennzeichnet, daß der den Strom in den dazugehörenden Drehmomentwicklun gen einschaltende Halbleiter von der Art ist, die nur so lange eingeschaltet bleibt, wie für sie Steuerstrom fließt, beispielsweise ein Transistor, auch Feldeffekt- Transistor oder GTO-Thyristor.

2. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den Anschluß an Wechselspannung ein Vierweg gleichrichter vor dem den Strom in den Drehmomentwick lungen einschaltenden Halbleiter aber nicht vor der Primärsteuerwicklung angeordnet ist.

3. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Sekundärsteuerwicklung und dem den Strom in den Drehmomentwicklungen einschaltenden Halb leiter ein Vierweggleichrichter angeordnet ist.

4. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausführung mit einem Permanentmagnet im Pri märsteuerpol ein Schalter zum Ausschalten des Stromes durch die Primärsteuerwicklung angeordnet ist.

5. Elektromotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Schalter ein selbsttätiger Zeitschalter, vorzugsweise elektronischer Art ist.

6. Elektromotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Schalter ein Einschalter und/oder Umschal ter ist, mit dem entweder der Strom durch die Drehmoment wicklung und die Primärsteuerwicklung oder nur der Strom durch die Drehmomentwicklung eingeschaltet wird.

7. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Primärsteuerwicklung eine Oszillatorschal tung, beispielsweise eine stabile Kippschaltung ange ordnet ist, welche durch die Primärsteuerwicklung pul sierenden Gleichstrom oder Wechselstrom, vorzugsweise mit hoher Frequenz fließen läßt.

8. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Motor mit Drehmomentwicklung und Pri märsteuerwicklung an einen Frequenzumrichter oder Wechselrichter angeschlossen ist, der Wechselspannung oder pulsierende Gleichspannung, auch solche in Block form erzeugt.