DK159229B

DK159229B - Boerstefri jaevnstroemsmotor

Info

Publication number: DK159229B
Application number: DK286575A
Authority: DK
Inventors: David Marvin Erdman
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 1974-06-24
Filing date: 1975-06-24
Publication date: 1990-09-17
Also published as: CA1035008A; AR213272A1; DE2527744A1; BR7503972A; IT1044299B; DK286575A; DK159229C; US4005347A; FR2276723B1; FR2276723A1

Description

' DK 159229 B

Den foreliggende opfindelse angår en børstefri jævnstrømsmotor med et stationært anker omfattende en ankerkerne og et antal viklingsvindinger anbragt på ankerkernen, en permanent magnetrotor, der er indrettet til at rotere omkring en langsgående akse i afhængighed af magnetfelter, som frembringes af kommuteringsstrømme frembragt i viklingsvindingerne på ankerkernen, og kommuteringsorganer til frembringelse af positionsstyresignaler, der angiver drejningspositionen af rotoren i forhold til ankerkernen, og til at bevirke kommutering af hver af viklingsvindingerne.

I konventionelle roterende jævnstrømsmaskiner er kommutering i det væsentlige en mekanisk skifteoperation for at styre strømmene gennem ankervikl ingssektionerne. Denne operation udføres i konventionelle maskiner med børster og segmenterede kommutatorer. I sådanne konstruktioner slides børsterne og kræver hyppig udskiftning. Gnistdannelse og dens ledsagende frembringelse af HF-støj er også uundgåeligt til stede.

Disse ulemper forhindrer ofte brugen af jævnstrømsmotorer til kritiske anvendelser, selv om brugen af sådanne motorer ellers ville blive fortrukket. Tidligere forsøg på at tilvejebringe børstefrie jævnstrømsmotorer var for det meste begrænsede til jævnstrøms-vekselstrømsomformning og navnlig vekselstrømsinduktionsmotordrift, anvendelse af rotorhastigheden til omskiftningsstyring, men en sådan styring var så ikke effektiv ved alle rotorstillinger, eller anvendelse af kredsløb med et stort antal skifteorganer med det resultat, at kredsløbene for sådanne organer både var komplicerede og kostbare.

Fra USA patentskrift nr. 3.531.702 kendes en børstefri jævnstrømsmotor af den indledningsvis angivne art, hvor det stationære anker er forsynet med en lukket bølgevikling, der har tre udtag til opdeling af viklingen i tre sektioner eller spoledele, som kommuteres af en faststofskifte- og styreenhed styret af en lyskilde og tre fotoelektriske elementer, idet en mellemliggende skærm forsynet med en åbning roterer sammen med rotoren og bestemmer, hvilket eller hvilke fotoelektriske elementer, der modtager lys og dermed over det tilsluttede elektriske kredsløb bevirker strømtilførsel til eller kommutering af viklingsdelene i overensstemmelse med rotorens vi nkel stilling.

Fra USA patentskrift nr. 3.634.873 kendes en jævnstrømsmotor-og kompressorenhed, hvor magnetisk betjente tungeafbrydere er forbundet

j DK 159229 B

med transistorskifteelementer for at tilvejebringe signaler svarende til rotorens drejningsstilling. En bægerformet magnetisk skærm strækker sig aksi alt ud fra rotoren for at passere mellem hver af tungeafbryderne og deres tilsvarende betjeningsmagneter på statoren.

Den magnetiske skærms for- og bagkanter skal forskydes en vis vinkel for at kompensere for forsinkelser i aktiveringen af tungeafbryderne som følge af uønsket magnetisk fluxafbøjning forårsaget af den roterende skærm og naturlig forsinkelse af funktionen af de magnetiske tungeafbrydere.

En børstefri jævnstrømsmotor af den indledningsvis angivne art er ifølge opfindelsen ejendommelig ved, at kommuteringsorganerne indbefatter indstillelige fremrykningsorganer til kommutering af hver af viklingsvindingerne ved en ønsket fremrykningsvinkel, før rotoren drejer til en position, hvor midten af en rotormagnetpol med en første polaritet er forskudt det teoretisk optimale antal elektriske grader ud fra midten af en magnetpol med en polaritet modsat den første polaritet og frembragt af viklingsvindingen, som kommuteres. Det har vist sig, at der herved opnås højere drejningsmoment og virkningsgrad af motoren, idet der fås en hurtigere opbygning af strømmen i viklingen, således at moment/strøm-kurverne søges bibragt en kurveform, der i nogen grad ligner en firkantbølge.

Den optimale indstilling af fremrykningen afhænger af den pågældende motor og de ønskede hastigheds- og momentar-bejdspunkter for denne.

Det skal erindres, at der principielt er tale om en jævnstrømsmotor. Der anvendes imidlertid en vekselstrømsmotorkonstruktion, idet spolerne er anbragt på statoren, og rotoren har en permanent magnet. På denne måde fås et særligt godt kompromis. På den ene side anvendes jævnstrøm, som føres direkte til motoren (der sker ikke først en ensretning og veksel retning, for at tilvejebringe det ækvivalente af vekselstrøm fra en jævnstrømskilde). Der tilføres således rent faktisk jævnstrøm til motoren. Dette sker imidlertid ved korrekt omskiftning, og omskiftningen styres således, at der er en sådan fremrykningsvinkel, at den ene vikling altid holdes ikke-strømfødet.

3

DK 159229 B

Opfindelsen skal herefter forklares nærmere under henvisning til tegningen, hvor ens henvisningsbetegnelser anvendes til at beskrive ens dele overalt på de forskellige billeder. På tegningen viser fig. 1 et perspektivisk billede af hovedelementerne i en udførelsesform for en børstefri jævnstrømsmotor ifølge opfindelsen, idet de enkelte dele er vist spredt ud fra hinanden, fig. 2 et skematisk lodret billede forfra af stator- eller ankerkernen i fig. 1, idet.der skematisk er vist et valgt viklingsarrangement for motoren i fig. 1, fig. 3 en skematisk afbildning af dele af motoren i fig. 1, som viser positionen af rotormagneterne i forhold til ankerviklingerne i indkoblingsøjeblikket for en af viklingerne med en forudindstilling på nul elektriske grader, fig. 4 et brudstykkevist lodret sidebillede delvis i tværsnit, som bedre viser den fysiske indbyrdes forbindelse af bærekonsolenheden i motorenheden i fig. 1, fig.5A og 5B henholdsvis kontruktionen af og det ækvivalente elektriske kredsløb for et lysfølsomt element, der anvendes som et akselpositionsføleelement i enheden i fig. 1, fig. 6 et skematisk diagram over et faststofkommuterings-kredsløb ifølge den foreliggende opfindelse, som er indrettet til at skifte viklingerne i motoren i fig.

1, når disse er forbundet i en stjerneform, fig. 7 et skematisk diagram over signalkonditioneringskreds-løbet vist i blokform i fig. 6 til frembringelse af positionstyresignaler, der angiver rotationspositionen af rotoren i fig. 1, fig. 8 det relative forhold mellem vinkelpositionen af rotoren og udgangssignalerne fra to lysfølsomme elementer A og B og skifteimpulserne frembragt som et resultat af rotorrotation, fig. 9 og lo skematiske diagrammer over et faststofkommute-ringskredsløb ifølge den foreliggende opfindelse, som er indrettet til at skifte viklingerne i motoren i fig. 1, når disse er forbundet i en broform,

4 DK 159229B

fig. 11A-C grafiske afbildninger af moment pr. ampere som en funktion af rotorposition, magnetbuelængde og fordeling af vindinger for magnetbuelængder på henholdsvis 18o elektriske grader, 16o elektriske grader og 135 elektriske grader, idet figurerne skematisk viser forskellige buelængder af rotor-magnetbuelængder, og fig. 12-15 afbildninger af moment pr. ampere som en funktion af rotorposition (i elektriske grader) for forskellige størrelser eller udstrækninger af spredning (eller relativ konstruktion) af statorvik-linger.

I fig. 1 er vist bestanddelene af en børstefri jævnstrømsmotor af én type, som indbefatter den foreliggende opfindelse i en fore-trukken form. En permanent magnetrotor lo er monteret på en aksel 11, som er drejeligt understøttet af sædvanlige ikke viste lejeorganer i et hvilket som helst ønsket ikke vist hus. Rotoren lo er magnetiseret efter sin diameter på i og for sig kendt måde. I den viste udførelsesform omfatter rotoren lo en massiv magnetisk stålkerne 12 og et par bueformede magneter 13 og 14, der er anbragt på periferien af kernen i diametralt modstående stilling. Magneterne 13 og 14 er keramiske magneter, men det vil forstås, at de kan være af koboltsamarium, Alnico eller en hvilken som helst anden tilgængelig type af magnetmateriale. De primære udvælgelseskriterier er omkostning og fysisk størrelse af motoren. Buelængden af hver keramiske magnet er fortrinsvis mellem 135 elektriske grader og 16o elektriske grader, men kan være op til 18o elektriske grader og ned til ca. 9o elektriske grader. Buelængder på mindre end 12o elektriske grader vil almindeligvis resultere i dårlig virkningsgrad med det viklingsarrangement, der er vist i fig. 2, og foretrækkes således ikke med dette arrangement.

Når buelængderne er af størrelsesordenen 9o elektriske grader, skal viklingerne udføres relativt mere koncentrerede.F. eks. i en 24 noters stator, der anvendes til topolsdrift, skal de ydre spoler af hver spolegruppe fortrinsvis spænde over lo noter. Endvidere skal hver spolegruppe fortrinsvis indeholde tre spoler pr. spolegruppe spændende over henholdsvis 9, 7 og 5 tænder. Denne arrangemehtstype vil tilvejebringe optimale virkningsgradsegenskaber for en sådan motor.

Den stationære ankerenhed 15 indeholder et magnetisk emne 16 med relativt lav reluktans, som er dannet af et antal ens statorla-meller 17, der er samlet imod hinanden. Lamellerne kan holdes sammen af et antal gennemgående stato^bolte 18, hvoraf kun to er vist brudstykkevist, som passerer gennem koaksialt anbragte gennemgående bolte-

5 DK 159229 B

huller 19 i statorlamellerne. Alternativt kan kernelamellerne svejses, notes, klæbes sammen eller blot holdes sammen af viklingerne på i og for sig kendt måde.

Hver lamel har et antal tænder 2o langs sin indvendige boring, så at de samlede lameller tilvejebringer et antal aksialt forløbende noter 21, i hvilke statorviklingerne 22 er anbragt.

Viklingerne 22 kan vikles ved hjælp af sædvanligt induktions-motorviklemaskineri. Viklingsvindingerne kan således vikles direkte i kernenoterne, eller viklingerne kan vikles i en spolemodtager og senere indsættes aksialt i kernenoterne, f.eks. med udstyr af den type, der er vist og beskrevet i USA patentskrifterne nr. 3.522.65o, 3.324.536, 3.797.1o5 eller 3.732.897, til hvis indhold der henvises.

Fortrinsvis har hver vikling en spredning på 9o elektriske grader over statornoterne for således at frembringe indbyrdes vinkelrette magnetfelter, når de strømforsynes. Viklingsendevindingerne strækker sig udenfor kerneendefladerne, og viklingsenderne eller -ledningerne er ført ud og forbundet særskilt til styrekredsløbet og de tilhørende skifteorganer.

I fig. 2 er der vist et eksempel på et viklingsarrangement til en elektronisk kommuteret jævnstrømsmotor med en tyvendedel hestekraft og 3ooo omdrejninger pr. minut, i hvilken principperne ifølge den foreliggende opfindelse er anvendt. Den valgte lamellering eller stansning har 24 noter,og 54 bifilare vindinger er anbragt for hver vikling. Med de over for hinanden anbragte par af viklinger viklet bifilart fås fire viklinger a,b,c,d. Viklingerne a og c er bifilart viklet og optager de seks øverste og seks nederste noter 21, som vist på tegningen. Viklingerne b og d er bifilart viklet og optager de seks noter i venstre side og de seks noter i højre side, som vist i fig. 2. Statoren 15 er viklet med en vindingsfordeling af henholdsvis lo vindinger, lo vindinger, 7 vindinger fra den yderste til den inderste spole for hver spole-gruppe vist i fig. 2. Hver vikling er naturligvis vist indeholdende to spolegrupper. Antallet af vindinger i en not for hver vikling og den resulterende fordeling kan varieres i overensstemmelse med de ønskede motoregenskaber, som skal opnås. F.eks. kan de yderste spoler af hver spolegruppe maksimeres i antal, medens de inderste spolevindinger minimeres for således at koncentrere viklingen. Når viklingen er således koncentreret, vil der fremkomme et højere gennemsnitsmoment (under antagelse af at statorkerne, rotorkonstruktionsviklingsmodstand og totalt vindingstal holdes konstant), men skiftepunktet vil være mere kritisk, størrelsen af fremrykning skal eventuelt ændres, og det minimale moment for låst rotor vil blive reduceret. Endvidere vil dyk i moment (under kørsel og stilstand) have større amplitude, men være af mindre varighed.

DK 159229 B

Som vist i fig. 2 er vindingerne i hver vikling koncentrisk anbragt i et givet par noter med det ønskede antal vindinger i hver not. Viklingen fortsætter naturligvis i det næste par noter, og der spændes over det ønskede antal noter eller tænder, som i den viste udførelsesform er 11 tænder, og tilvejebringer en spredning af f.eks. 9o elektriske grader for hver vikling og muliggør, at viklingerne efter hinanden frembringer indbyrdes vinkelrette magnetfelter, når de strømforsynes efter hinanden. Ved at anvende bifilare strenge vikles to viklinger samtidigt, og den ene ende af hver streng kan så hensigtsmæssigt jordes for at tilvejebringe en stjerneviklingsform. Det skal igen bemærkes, at arrangementet let tilpasses til vikling og placering ved hjælp af sædvanligt viklingsmaskineri, som anvendes til at vikle vekselstrømsmoto rer.

Det vil bemærkes, at i fig. 2 er viklingen b vist noget forskelligt fra viklingerne a,c og d. Viklingen b viser retningen af strømgennemgangen deri under i det mindste en kommuteringsperiode, og pile er blevet anvendt til at angive retningen af strømgennemgangen i endevindingsdelene af vikling b. På den anden side er prikker og krydser indesluttet i cirkler blevet anvendt til at vise retningen af strømgennemgangen i de respektive vindinger af vikling b, som er anbragt i magnetkernens noter. Med den notation, som er anvendt i fig. 2, angiver en prik, at strømmen løber opad ud af tegningens plan,og krydser angiver strømgennemgang nedad i forhold til tegningens plan. Med strømgennemgang som angivet ved prikker og krydser i fig. 2 vil vikling b danne nord- og sydpoler, der er orienteret som angivet ved bogstaverne N og S i fig. 2.

Den stationære ankerenhed har en aksial boring 23, hvori anbringes rotoren lo. De bueformede magneter 13 og 14 er anbragt f.eks. ved hjælp af et klæbemiddel, såsom epoxy, på de ydre overflader af kernen 12 med lav reluktans, som kan være lamelleret, men ikke behøver at være det, og med nord- sydpolariseringer, som angivet i fig. 3. Magnetiseringen er i den radiale retning,og den radiale tykkelse er valgt med henblik på at frembringe den ønskede magnetomotoriske kraft (for et givet magnetmateriale) eller at sikre, at der ikke forekommer nogen irreversibel afmagnetisering fra felterne, som frembringes af strømmen i statorviklingerne i fastkørt tilstand.

Det vil forstås, at selv om magneterne 13 og 14 er angivet at være klæbet fast til den ydre periferiflade på kernen 12, er det kun vigtigt, at felter af modsat polaritet frembringes af rotorenheden. Stangformede magneter eller magneter af en hvilken som helst anden ønsket form kan således anvendes ved fremstillingen af rotorenheder til motorer ifølge den foreliggende opfindelse. Magneterne kan, når der an-

7 DK 159229 B

vendes permanente magneter, anbringes i en magnetjernsburkonstruktion eller fremstilles på anden ønsket måde. I virkeligheden kan der også anvendes en magnetiseret rotor, hvor nord- og sydpolerne er frembragt af strømbærende ledere. I det sidstnævnte tilfælde skal der naturligvis anvendes slæberinge eller andre egnede organer til at forbinde rotorviklingerne med en magnetiseringsstrømkilde. Den aksiale længde af magneterne er afhængig af den ønskede totale flux. øjebliksmomentkurverne og nettoudgangsmomentet afhænger af magnetbuen eller buelængden β af magneten, der som foran nævnt fortrinsvis er begrænset til mellem 135 elektriske grader og 16o elektriske grader for opnåelse af den største virkningsgrad.

I nærheden af den ene ende af rotoren er anbragt en akselpo-sitionsfølerenhed 4o omfattende en lukker 41 og en konsol 42 til at bære et par optiske afbrydermoduler, nemlig optiske lyskoblingsfølere 43 og 44. Lukkeren 41 kan udføres af et eller andet ved den pågældende bølgelængde optisk uigennemsigtigt materiale eller belagt materiale, som f.eks. aluminium (messing, stål osv.) og omfatter et fladt skiveformet element 45 med en lukkerflange 46, der strækker sig langs periferien af skiveeleméntet over en bueformet afstand på ca. 18o elektriske grader. Skiveelementet har en central åbning 47, der er lidt større i diameter end diametren af rotorakslen 11, så at den let kan føres ind over rotorakslen og monteres plant med endefladen af den massive stålkerne 12. I dette øjemed er et par bolteoptagende åbninger 48 dannet for at optage ikke viste monteringsbolte, der er bestemt til at skrues ind i gevindskårne åbninger 5o i kernen 12. Som det umiddelbart vil forstås, kan der naturligvis anvendes andre egnede arrangementer til at montere lukkeren på rotoren, så længe flangen 46 strækker sig udad fra rotoren og er samvirkende knyttet til følerne 43 og 44 for at bevirke frembringelse af rotorpositionsreferencesignaler i afhængighed af positionen af rotoren i forhold til statoren.

Som vist i fig. 1 og 4 har konsollen 42 et første bueformet segment 51 med en langstrakt i længderetningen forløbende slids 52. Slidsen 52 muliggør, at konsollen fastgøres indstillelig til statorla-mellerne 17 ved hjælp af de gennem statoren gående bolte. Et andet bueformet segment 53 er understøttet radialt indenfor det første segment ved hjælp af en U-formet forbindelsesbøjle eller arm 54. Som tydeligere vist i fig. 4 er bøjlen 54 udformet til at passere over endevindingerne og bærer følerne 43 og 44 med en 9o graders rumlig orientering indenfor endevindingerne af s ta torviklingerne og i samvirkende stilling i forhold til den udadrettede lukkerflange 46. -Dét skal bemærke’s, at følerne er und erstøttet inden for den yderste aksiale dimension af viklingens endevinding er såvel som inden for den radiale dimension for således at formindske den

8 DK 159229 B

aksiale længde af motoren, idet dimensionen af bøjlen bidrager meget lidt til den samlede aksiale længde.

I fig. 5A og 5B er vist en typisk mekanisk og elektrisk form af en optisk føler, som er egnet til anvendelse sammen med den foreliggende opfindelse. Sådanne følere er sædvanlige i handlen værende organer og kan f.eks. være optiske koblere, General Electric H13A2.

Som vist omfatter kobleren en lysenergikilde 55, der kan være en lys-emitterende diode,og en lysføler 56, der kan være en lysfølsom fototransistor i lyskoblingsforbindelse med den lysemitterende diode. Dioden 55 og fototransistoren 56 er dannet i separate blokke henholdsvis 57 og 58 adskilt af en kanal 59 og monteret på en understøttende basisdel 6o. Basisdelen 6o for hver føler er fastgjort ved modstående ender af bæresegmentet 53, således at følerne er anbragt i en bueformet indbyrdes afstand fra hinanden på 9o elektriske grader. Passende åbninger er dannet i segmentet for at muliggøre, at terminalledere 61 på følerne passerer frit derigennem.

Kommutering af statorviklingerne opnås ved hjælp af et faststof s tyrekreds løb 7o omfattende NOR-porte og transistoromskiftere og drivled, der aktiveres i afhængighed af signaler fra akselpositionsfølerne. Kredsløbet kan være af den type, der er vist i fig. 6 og 7, hvor en stjerneviklingsform anvendes,eller af den type, der er vist i fig. 7, 9 og lo, hvor et broarrangement anvendes.

I begge tilfælde indstilles strømskiftningen i statorviklingerne på forudvælgelig måde ved den relative placering af følerne, så at kommutering af statorviklingen skrider fremad som forklaret nedenfor.

Ved en kort forklaring af funktionen af kredsløbet vil det af de forskellige skematiske figurer fremgå, at styrekredsløbet modtager udgangssignalerne fra den lysfølsomme akselpositionsfølerenhed 4o for at udlede skiftesignaler til kommutering af statorviklingerne. I dette øjemed frembringer udgangene på følerne 43 og 44 to positionssignaler, der angiver positionen af rotoren lo i forhold til den faste stilling af statorviklingerne. De to positionssignaler føres til et første signalkonditioneringskredsløb lo, der frembringer fire styresignaler, som svarer til de stillinger af rotoren, hvor (1) lukkerflangen 46 passerer gennem kanalen 59 i føleren 43 for derved at blokere dens fotoføler,(2) lukkerflangen 46 passerer gennem kanalen 59 i begge følerne 43 og 44 for derved at blokere begge fotofølere, (3) lukkerflangen 46 passerer gennem kanalen 59 i føleren 44 og blokerer fotoføleren i føleren 44, men blokerer ikke lasngere fotoføleren i føleren (43) , og (4) lukkerflangen 46 er fri af begge følere. På denne måde tjener lukkeren til at blokere eller afskære lyset fra lysenergikilden i hver op-

9 DK 159229 B

tiske kobler under den ene halvdel a£ hver omdrejning af rotoren, samtidig med at den tillader passage af lysenergi fra hver lyskilde til sin tilhørende fotoføler under den anden halvdel af rotoromdrejningen. Ved at anbringe følerne i en 9o° rumlig stilling tilvejebringer følerens til-frakombination fire positionsstyresignaler, medens den indstillelige konsolenhed tilvejebringer et hensigtsmæssigt middel til på forudvælge-lig måde at rykke kommuteringen af viklingerne fremad og hjælpe opbygningen af strøm i viklingen, som kommuteres, og opnå et ønsket hastighedsmomentforhold med større virkningsgrad.

Det vil af fig. 7 ses, at udgangssignalet fra hver kobler 43,44 er højt, når energien, som modtages fra den lysemitterende diode 55, forhindres i at aktivere den tilhørende fototransistor 56, dvs. når lukkerflangen 46 passerer mellem den lysemitterende diode og fototransistoren. Som det vil forstås ved betragtning af fig. 7, optræder et første positionssignal, når kobleren 43 blokeres, og dette signal fremkommer på ledningen 68. Et andet positionssignal optræder, når kobleren 44 blokeres, og dette signal optræder på ledningen 69.

Som angivet foran består hver kobler af en lysemitterende diode LED 55 og en fototransistor 56. Kollektoren i hver fototransistor er uafhængigt forbundet over en tilhørende modstand 71 eller 72 med en positiv strømforsyningsledning 73. Dioderne 55 er forbundet i serie og videre over en forspændingsmodstand 74 med den positive ledning 73. Emitterne i fototransistorerne og de serieforbundne dioder er forbundet med en fælles jordledning 75.

Det første signalkonditioneringskredsløb indeholder fire NOR-porte, som er indrettet til at frembringe de fire positionsstyresignaler A, A (ikke A), B og B (ikke B)', som angiver rotationspositionen af rotoren lo (indenfor et 9o° område), og som anvendes til at styre strømskiftning i statorviklingerne. I dette øjemed er den ene indgang på hver NOR-port 76 og 77 forbundet med ledningerne henholdsvis 68 og 69, og de andre indgange på hver NOR-port 76 og 77 er forbundet med jordledningen 75. Udgangene på NOR-portene 76 og 77 frembringer A og B positionsstyresignalerne, som føres til det andet signalkonditioneringskredsløb. A og B styresignalerne føres også til en af indgangsterminalerne på NOR-porte. henholdsvis 78 og 79, hvis udgangssignaler omfatter A (logisk komplement ikke A) og B (logisk komple„ment ikke B) positionsstyresignalerne. Den anden indgang på hver NOR-port 78 og 79 er jordet. Varigheden og rækkefølgen af signalerne A, A, B og B er skematisk afbildet i den øverste del af fig. 8.

De fire positionsstyresignaler A, A, B og B føres til det andet signalkonditioneringskredsløb vist detaljeret i fig. 6. Funktionen

10 DK 159229 B

af det andet signalkonditioneringskredsløb er at frembringe fire skiftesignaler til rækkefølgevis skiftning af de tilsvarende statorviklinger 22a, 22b, 22c og 22d. I dette øjemed er hver vikling forbundet med en separat signalkanal indbefattende sin egen NOR-port 8o, transistor 81 og drivtrin omfattende transistorer 82 og 83. Funktionen af hver kanal er identisk,og for at undgå gentagelse vil beskrivelsen blive begrænset til funktionen af en enkelt kanal. Kanalen for "a"-viklingen benævnes som a-kanalen, og de tilhørende komponenter i denne kanal har hver en numerisk henvisningsbetegnelse fulgt af bogstavet "a" for at angive dens tilknytning til denne kanal. "a"-kanalen styrer således skiftningen af vikling a, b-kanalen styrer skiftningen af vikling b osv.

Kanal a er vist som den nederste kanal i det andet signalkonditioneringskredsløb i fig. 6. NOR-porten 8oa har sine to indgange forbundet for at modtage A og B indgangssignaler fra NOR-portene 78 ogw Ligeledes er hver af de andre kanaler indrettet til at modtage to positionsstyresignaler fra det første signalkonditioneringskredsløb 7o, således at de fire kanaler frembringer fire successive skifteimpulser for hver omdrejning af rotoren, som det bedst forstås ved henvisning til den nederste halvdel af fig. 8. I denne del af fig. 8 er varigheden og rækkefølgen af signalerne A + B, A + B, A + B ogA+B afbildet skematisk.

Logikkredsløbet er udformet med to indgange for hver port. Portene er forbundet på en sådan måde, at når udgangen på en NOR-port er et 1, er udgangene på de andre NOR-porte på nul. Porten 8oa f.eks. har en 1 udgang, når A og B indgangene begge er på nul. Dette forekommer netop én gang under en omdrejning af lukkeren 41. På lignende måde for porten 8ob er dens udgang 1, når A og B indgangene er på nul. Dette er igen en indgangskombination under hver omdrejning. Portene 8oc og 8od er på lignende måde forbundet med henholdsvis A, B og A, B indgangene.

Skiftesignalerne fra hver NOR-port 8o forstærkes af en tilhørende transistor 81, hvortil skiftesignalet føres over en basismodstand 84. Udgangen på hver transistor 81 er ført til basiskredsløbene i et effektskiftesæt omfattende transistorer 82 og 83, der omskiftes for at bevirke strømfødning af statorviklingerne 22a til 22d i et forudbestemt tidsstyret forhold. Transistoren 81 omfatter en NPN-transi-stor, hvis emitter er jordet over en ledning 85. Kollektoren i hver transistor 81 er over en modstand 86 forbundet med basis i en NPN-transistor 82. Kollektoren og emitteren i hver transistor 82 er forbundet henholdsvis med basis og kollektor i den tilhørende transistor 83 for at danne en sædvanlig modificeret Darlington-kobling.

Hver statorvikling er over kollektor-emitterovergangen i sin

DK 159229 B

tilhørende transistor 83 forbundet med den positive ledning 87. En beskyttelsesdiode 88 er forbundet over emitter-kollektoren i hver transistor 83 for at tilvejebringe en strømvej fra den tilhørende vikling til den positive strømforsyningsledning 87. I dette øjemed er anoden i hver diode 88 forbundet med den ikke-jordede side af den tilhørende vikling 22 og emitteren i transistoren 83 for at sikre, at polariteten af dioden er en sådan, som tillader tilbagevenden af energi, som frigives af det henfaldende magnetfelt fra en vikling, når strømforsyningen til den afbrydes. Returstrømmen, som frembringes af det henfaldende magnetfelt, shuntes forbi transistoren 83 over en ledning 9o, som bevirker opladning af en kondensator 91, der er forbundet over den positive strømforsyningsledning og jord. Energien, som oplagres i kondensatoren 91, vil blive ført tilbage til systemet ved afladning af kondensatoren, når den næste vikling indkobles, hvilket resulterer i en samlet forøgelse af motorens virkningsgrad. Forbedringen af virkningsgraden kan være så høj som 10%.

Beskyttelseskredsløbet, som dannes af hver diode 88 og kondensatoren 91, er lige effektivt for ensrettet vekselstrøm og batteristrømforsyning. Det skal bemærkes, at for en ensrettet vekselstrømsled- \ ning kobles dioderne hørende til strømforsyningskilden i en sådan retning, at de tillader strøm at flyde gennem motoren, men ikke tilbage til ledningen. Kondensatoren 91 tjener således til at lagre energi fra de omskiftede viklinger. Kondensatoren 91 kan erstattes af en zenerdio-de, som vil absorbere og afgive den genvundne energi som varme. Medens et sådant arrangement kan tilvejebringe beskyttelse af transistorerne 83a,b,c og d, vil det ikke tilvejebringe forbedret virkningsgrad, fordi energien vil blive spredt i stedet for at føres tilbage til systemet.

En modstand 92, som er indkoblet i den positive strømledning 87 sammen med kondensatorer 93,94 og en 15-volt zenerdiode 95 (for en nominel tilført middelspænding på 12 volt), tilvejebringer et beskyttende filternetværk for kredsløbskomponenterne mod muligheden for,at ledningen 87 hæves op til en spænding, som er stor nok til at ødelægge faststofkomponenterne, hvilket kan forekomme,f.eks. hvis motoren drives af en batterilader, som kan levere mere end 18 volt spidsværdi.

Statorviklingerne 22a - 22d i fig. 6 er viklet bifilart og er anbragt i en stjerneform med den ene ende af hver vikling forbundet med en fælles jordledning. Dette tilvejebringer et effektivt arrangement, som muliggør, at viklingerne ind- og udkobles individuelt med et minimum af elektronik, og som muliggør, at den induktive energi af en omskiftet vikling genvindes. I denne forbindelse bemærkes, at når f.eks. viklingen 22a afbrydes, inducerer det henfaldende magnetfelt en strøm i den ledsagende leder i viklingen 22c på grund af det bifilare viklingsarrangement og den resulterende transformatorvirkning. Tilbagekob-

12 DK 159229 B

lingsdioderne 88 om hver skiftetransistor tilvejebringer en vej for strøm i forbindelse med afskåret induktiv energi og beskytter transistoren, medens kondensatoren 91 muliggør, at denne energi genvindes. Dette arrangement muliggør relativ udnyttelse af viklingerne i en not af kun 5o%. For at opnå fuld udnyttelse af viklingerne, hvilket giver endnu mere effektiv.udnyttelse af viklingsmateriale, kan man benytte brokredsløbsarrangementet i fig. 9 og lo.

I overensstemmelse med arrangementet vist i fig. 9 og lo er statorviklingerne 122a og 122b viklet på samme måde som statorviklinger-ne 22a og 22b i stjerneformen i fig. 6. I stedet for at anvende bifilare strenge, som det var tilfældet med viklingerne 22a,22c, anvendes således kun enkelte strenge, og en bestemt vikling indkobles ved omskiftning af et par transistorer. I dette øjemed findes der fire effektskiftesæt I0I-I08 for hvert par viklinger. Hvert effektsæt omfatter et par NPN-transistorer anbragt i en Darlington-kobling. Basis i indgangstransistoren i hvert effektsæt er over sin tilhørende basismodstand lo9-116 forbundet med udgangen på en transistorforstærker 81 i en af kanalerne på samme måde som vist f.eks. i fig. 6. a-kanaludgangen på transistoren 81a er forbundet med indgangen på effektskiftesættet lol og lo3, b-kana-len med sættene lo5 og lo7, c-kanalen med sættene lo2 og lo4 og d-kana-len med sættene I06 og I08. Viklingen 122a strømforsynes, når der går en strøm I med effektsættene lol og lo3 indkoblet. Viklingen 122a vir-

CL

ker i virkeligheden som viklingen 22c i fig. 2 og 6, når effektsættene lo2 og lo4 er indkoblet, og der går en strøm I . Brokredsløbet til ind-

C

kobling af viklingen 122b virker på lignende måde, når der går strømme 1^ og Ιβ. Hver transistor er forsynet med en beskyttelsesdiode 117-124, som er forbundet over emitter-kollektorterminalerne og polet således, at den tilvejebringer en vej for strømmen i tilknytning til lagret induktiv energi, som frigives, når transistorerne spærres.

De foran beskrevne kredsløbsarrangementer tilvejebringer et relativt simpelt, men meget effektivt og økonomisk middel til at styre kommuteringen af en motor ifølge den foreliggende opfindelse.

Fremrykket tidsstyrevinkel (eller fremrykning af kommutering) defineres i overensstemmelse med fig. 3. Nul fremrykning ville eksistere, hvis en vikling blev indkoblet, når det magnetiske midtpunkt af en rotormagnet bevægede sig derimod og i det øjeblik·, hvor det magnetiske midtpunkt af rotoren var 135 elektriske grader fra at ligge på linie med aksen af den derved etablerede magnetpol. Dette ville være det teoretiske optimum. Imidlertid udgør skiftning af viklingen lo elektriske grader,før denne teoretiske optimale stilling nås, en lo graders fremrykning af kommuteringen. Den foretrukne størrelse af fremrykning af tidsstyrevinklen står i forbindelse med L/R tidskonstanten for viklingen

13 DK 159229B

Ved O elektriske graders fremrykning, opbygges strømmen i viklingen for langsomt til at opnå det størst mulige moment over hele dens "inde"-tid. Fremrykning af kommuteringsvinklen udnytter imidlertid det forhold, at den frembragte mod emk er mindre under ufuldstændig kobling, dvs. når polakserne for rotoren og viklingen ikke ligger nøjagtigt på linie, og strømmens opbygningstid og momentudviklingen kan derfor forbedres. En for stor fremrykning fremkalder strømoversving med deraf følgende uheld: ge virkninger på virkningsgraden, men den optimale indstilling af fremrykningen afhænger i nogen grad af de ønskede hastigheds- og momentar-bejdspunkter for den pågældende motor. Tidsstyrevinklen indstilles på forudvælgelig måde ved periferisk drejning af konsollen 42, som indstiller lyskoblingsfølerne 43 og 44 i forhold til lukkerflangen 46.

Under fortsat henvisning til fig. 3 ses det, at midten af de magnetiske nord- og sydpoler frembragt af viklingen 22b i fig. 2 er angivet med henvisningsbetegnelsen henholdsvis Nb og Sb. Den generelle beliggenhed af polakserne eller centrene af magneterne 13,14 er på den anden side angivet med betegnelserne N og S. Det vil forstås, at nord-og sydpolerne Nb, Sb frembringes af viklingen 22b, når den strømforsynes som angivet i fig. 2.

Under motordrift bliver viklingerne 22a,22b,22c og 22d kommuteret i rækkefølge, og når polerne Nb, Sb (i tilknytning til viklingen 22b) forsvinder, fremkommer polerne Nc, Sc (i tilknytning til viklingen 22c). Det vil af fig. 3 bemærkes, at midten af magnetpolen S for magneten 14 er beliggende 45 elektriske grader forbi polen Sb.

I teorien skulle viklingen 22b indkobles i dette øjeblik for at frembringe polerne Nb, Sb, og viklingen 22b skulle forblive strømforsynet over 9o elektriske grader. Viklingen 22b skulle derpå afbrydes, og viklingen 22c indkobles under antagelse af rotation i urviserens retning af rotoren som angivet ved pilen R i fig. 3.

Det har vist sig at bedre ydelse opnås, når man udfører kommuteringen af viklingerne en forudbestemt vinkel i elektriske grade: oCforud for det teoretisk ønskelige skiftepunkt eller skiftevinkel.

Ved udførelsesformen med et viklingsarrangement beskrevet ovenfor var vinklen <£ ca. 2o elektriske grader. Viklingen 22a blev således afbrudt, og viklingen 22b strømforsynet for at frembringe polern« Nb,sb, når aksen for polerne Sb for magneten 14 var ca. 145 elektriske grader derfra. 9o elektriske grader senere blev viklingen 22b afbrudt, og viklingen 22c strømforsynet for således at frembringe polerne Nc,Sc Dette fortsætter derpå naturligvis for de fire viklinger 22a,b,c,d,som det vil forstås.

Selv om modsat beliggende viklingssektioner kan kobles samtidigt ved hjælp af modstående magneter på rotoren, kan alle vindinger

14 DK 159229 B

i en given vikling ikke fuldstændigt kobles på grund af den fordelte beskaffenhed af viklingerne og forkortningen af rotormagneterne. På grund af dette er udgangsmomentet pr. ampere tilført stator- eller ankerviklingen (T/I) en funktion af rotorposition og antallet af effektive viklingsvindinger. Fig. 11A,B,C viser virkningen af forholdet T/I, når magneter med forskellige buelængder anvendes sammen med en given stator eller ankerudformning.

Fig. 11A viser en afbildning af T/I, når magnetbuelængden er 18o elektriske grader,og viklingerne 22a,b,c,d har det samme antal vindinger i hver not. Den fuldt optrukne trapezformede kurve viser øjebliksmomentet pr. ampere for en konstant værdi af strømgennemgang i viklingen 22a, hvis denne vikling strømforsynes eller efterlades "inde" under en hel omdrejning af rotoren. Den punkterede trapezformede kurve er på lignende måde tegnet for viklingen 22b for at vise dens øjebliksmoment pr. ampere bidrag. Den kraftige fuldt optrukne kurve angiver en nettovirkning af, at viklingen 22a kun er "inde" over 9o elektriske grader, og viklingen 22b er "inde" over 9o elektriske grader osv. for viklingerne 22c og 22d. Den kraftige fuldt optrukne kurve er forskudt ud fra de andre kurver af hensyn til illustrationen.

Viklingen 22a indkobles ca. 45 elektriske grader,efter at polakserne for rotormagneterne har passeret midten af polerne, der skal frembringes af viklingen 22a. De fordelte viklinger ses således at indføre en trapezform af øjebliksmomentet i modsætning til den teoretiske ideelle firkantform, som ellers ville opnås for et ideelt tilfælde med anvendelse af koncentrerede viklinger. Det skal bemærkes, at hver af figurerne 11A-C skematisk viser den bueformede længde af forskellige rotormagneter såvel som "spredningen" af viklingslederne i viklingen 22a. "Spredning" anvendes til at angive vinkelfladen af hosliggende statornoter, som bærer lederne i en given vikling. I fig. 2 har hver vikling således to grupper af ledere anbragt i noter, og hver gruppe har en spredning af 9o elektriske grader (seks noter).

Fig. 11B viser momentet pr. ampere, der udvikles som en funktion af rotorposition med anvendelse af en bueformet magnet, der har en buelængde på 16o elektriske grader. Viklingerne antages igen at være ideelt eller ensartet fordelt, og viklingsstrømmen antages at have en konstant værdi. Kurven for øjebliksmomentet pr. ampere som en funktion af rotorposition beholder sin trapezform som i fig. 11A, men opbygningen er langsommere, og tiden ved maksimumsmoment er kortere. Netto- eller middelmomentet er imidlertid kun lidt reduceret. Disse virkninger markerer sig yderligere for en magnet med en buelængde af 135 elektriske grader som vist i fig. 11C.

15

DK 159229 B

Under hensyntagen til viklingsinduktans og rotorhastighed af motorer, der er opbygget som beskrevet heri, blev det iagttaget, at optimalt moment ved nominel belastning forekom, når viklingerne blev strømforsynet med en fremrykning på ca. 2o elektriske grader. På grund heraf kan magnetbuelængden reduceres fra 18o elektriske grader til 16o elektriske grader i det væsentlige uden noget tab i motorydelse. Værdien af 135 elektriske grader for magnetbuelængden er også betydningsfuld, idet den repræsenterer et optimalt valg ud fra et fremstillingssynspunkt, idet de bedste udbytter for processer, som anvendes til at fremstille ferritmagneter, opnås, når buesegmenterne normalt er 135 mekaniske grader, idet det bemærkes, at mekaniske grader er lig med elektriske grader ved topolede motorer. Endvidere kan magneter med buelængder ned til 12o elektriske grader anvendes uden i det væsentlige at reducere motorydelsen og virkningsgraden. I foretrukne udførelsesformer, som er blevet udført og afprøvet, har buelængden af magneterne imidlertid været mellem 135 og 16o elektriske grader.

Kurverne i fig. 11 er ideelle afbildninger af moment pr. ampere. De afviger fra det ideelle, når viklingsinduktans, rotorhastighed og fremrykningstidsstyrevinkel tages i betragtning. Induktansen nedsætter hastigheden af strømmens stigning, så at L/R tidskonstanten for viklingerne bliver en stadigt mere vigtig faktor, når højere nominelle hastigheder vælges. Som en generel regel er fremrykningstidsstyrevinklen større ved højere hastigheder, men optimal ydelse opnås, når viklingsafbrydelse eller kommutering forekommer næsten på en flad del af momentkurverne i fig. llA-C,og indkoblingen forekommer på en stigende del af de samme momentkurver.

Fig. 12-15 svarer til fig. 11A-C,i det mindste for såvidt som de første er idealiserede afbildninger af forholdet T/I (moment pr. ampere) for en motor, såsom den i fig. 1 viste, som en funktion af rotorposition for forskellige størrelser eller værdier af statorviklingsspred-ning. I fig. 12-15 viser de fuldt optrukne trapezformede kurver øjebliksmoment pr. ampere, som ville fremkomme, hvis én vikling, f.eks. viklingen 22a, blev efterladt "inde" for en hel omdrejning af en rotor.

De punkterede trapezformede kurver er på lignende måde tegnet for en anden vikling, f.eks. viklingen 22b. Dataene for kurverne 12-15 er baseret på den antagelse, at der anvendes en enkelt rotor med magnetbuer på 135 elektriske grader sammen med statorer med forskellige viklingsspændvidder eller koncentrationer. Kurverne i fig. 12-15 ville fremkomme sammen med viklingssidevindingsspredninger på henholdsvis 9o,6o,12o og 3o elektriske grader. Varigheden eller udstrækningen i elektriske grader af de flade dele af kurverne i fig. 12-15 er angivet på tegningen. Det vil bemærkes, at varigheden af disse flade dele aftager med voksende

16 DK 159229 B

spolesidevindingsspredninger. Omvendt bevirker voksende spolesidevindingskoncentrationer forøget varighed af den flade del (maksimum af T/I) .

Kurverne i fig. 12-15 er baseret på viklingsfordelinger/ som antages at tilvejebringe et ens antal vindingssegmenter pr. not. Som det vil forstås ud fra fig. 1 og 2, indeholder viklingerne 22 endevindings-dele, der er anbragt langs endefladerne af statorkernen/ og sidevindings-dele, som er anbragt langs de aksialt forløbende statorkernenoter.

Idet vikling 22b tages som eksempel, og der henvises til fig. 2, dannes viklingen b af to sektioner eller spolegrupper. Hver af disse grupper har tre koncentriske spoler med hver spole dannet af et antal vindinger og med sidevindingsdele af disse spoler i en statornot. Spændvidden af den yderste spole i hver spolegruppe bestemmer spændvidden af hver spolegruppe. "Spredningen" eller "koncentrationen" af viklingen 22b bestemmes imidlertid af den samlede bueformede spændvidde af den ene halvdel af sidevindingsdelene af begge spolegrupper.

Alle lederne i viklingen 22b, som fører strøm ind i fig. 2's plan eller ud af tegningens plan, frembringer således tilsammen en "spredning" på 9o elektriske grader. Hvis viklingen 22b bestod af to spolegrupper, som hver kun havde en spole, og disse spoler delte den samme not, ville der opnås maksimal "koncentration" eller minimal "spredning".

Det vil ud fra en sammenligning af fig. 11A-C og 12-15 forstås, at maksimumsværdier af T/I vil være af længere varighed, hvis vikling s spredningen minimeres, og rotormagnetens buelængde maksimeres.

Når der ønskes maksimalt moment over en hel rotoromdrejning, skal kurveformerne i fig. 11A-C og 12-15 holdes "flade" så længe som muligt. Hvis varigheden af maksimalt T/I imidlertid var et teoretisk maksimum af 18o elektriske grader, ville der fremkomme en firkantkurve. Med andre ord ville den forreste del af kurveformen blive uendeligt stejl. Der er imidlertid med stejlere kurveformer større mulighed for startproblemer. Det foretrækkes derfor, at den forreste del af kurveformen er så stejl som muligt uden at forårsage generende startproblemer.

I denne forbindelse skal det også bemærkes, at kørselskravene kan kræve flere viklingsvindinger og derfor en større viklings "spredning". Dette medfører igen en mindre "stejl" kurveform, som igen ville forårsage et behov for en større fremrykning af kommuteringen for opnåelse af optimal kørselsvirkningsgrad.

Det vil nu fremgå, at der er blevet vist og beskrevet forskellige foretrukne udførelsesformer for opfindelsen. På det foreliggende tidspunkt menes stjerneforbindelsesarrangementet med anvendelse af bifilare viklinger at være den bedste udformning sammenlignet med et

17 DK 159229 B

monofilart brokredsløbsarrangement.

Dette skyldes, at der kræves færre transistorer til stjerneformen, og omkostningerne er derfor mindre, selv om der fås en mindre effektiv udnyttelse af viklingsmaterialet, f.eks. kobber eller aluminium. På den anden side, hvis og når den relative omkostning til transistorer og viklingsmateriale ændrer sig til gunst for faststoforganer, vil det monofilare brokredsløb blive foretrukket.

Når det ene eller det andet forslag følges, er det afgjort at foretrække at tilvejebringe energilagringsorganer, f.eks. som beskrevet ovenfor, for ikke kun at beskytte udgangstransistorerne, men at forbedre virkningsgraden af energiudnyttelse.

Når det ene eller det andet forslag anvendes, kan fremgangsmåder, som udnytter andre træk ved opfindelsen, naturligvis benyttes.

I resumerende øjemed skal det bemærkes, at sådanne fremgangsmåder naturligvis vedrører fremstillingen af børstefri jævnstrømsmotorer, uanset om de er af den elektroniske kommuterede type eller ikke og indbefatter udvælgelsen af vekselstrømsinduktionsmotorkernetyper, udførelsen af fordelte viklinger i noter i sådanne kerner ved hjælp af til rådighed værende vekselstrømsinduktionsmotorudstyr til at danne beviklede stator-enheder og samlingen af sådanne beviklede statorenheder med rotorenheder med permanent magnet. Udførelsen af de fordelte viklinger indbefatter fortrinsvis tilvejebringelsen af mindst to spolegrupper (for optimering fire spolegrupper), som hver omfatter en eller flere koncentriske spoler med en eller flere vindinger hver.

Viklingsvindingerne kan vikles og anbringes samtidigt eller senere i spoleoptagende organer og derpå indsættes aksialt i de aksialt forløb^nde kernenoter enten direkte fra de spoleoptagende organer eller fra et aksialt indsætningsorgan, hvortil viklingsvindingerne overføres fra det spoleoptagende organ.

Det skal erkendes, at de netop kort beskrevne fremgangsmåder repræsenterer en afvigelse fra den kendte teknik ved fremstilling af jævnstrømsmotorer. F.eks. har den tidligere teknik medført dannelsen af, hvad der er kendt som "ring" viklinger, f.eks. bølge- eller alpe-viklin-ger, som anbringes på en sædvanlig jævnstrømsdynamoelektrisk maskinker-ne.

For bedre at vise de forbedrede egenskaber ved motorer ifølge opfindelsen anføres data i tabel I nedenfor.

TABEL I

18 DK 159229 B

Data taget ved 26oo omdrejninger pr. minut Fremrykning oc i elektriske Moment, g cm Virkningsgrad, % grader_ _Total_Netto Total*_ Netto** 0 994 821 73.7 6o.9 5 lo37 864 78.2 65.2 15 1296 1123 81.2 7o.4 22 1383 1167 77.7 65.6 3 uden hensyntagen til luftfriktion og friktionstab.

Inclusive luftfriktion og friktionstab.

Dataene i tabel I blev opnået ved afprøvning af en motor udført i henhold til den foreliggende opfindelse, og som blev drevet med en 12 volt jævnstrømsforsyning.

Motoren var af en standard statorlameludførelse, som anvendes kommercielt i induktionsmotorer. Lamelleringen var i det væsentlige identisk med lamelleringen vist i fig. 2. Boringen i kernen var ca.

5 cm med en lamelpakkehøjde på ca. 5 cm. Kernen havde 24 noter og var forsynet med fordelte viklingssidevindingsdele af kobbermagnettråd, som var viklet bifilart. Der blev anvendt ialt otte viklingsspolegrupper, nemlig fire bifilare spolegrupper. Hver spolegruppe indeholdt tre spoler, og hver spole omfattede fra yderste spole til inderste spole henholdsvis 7, lo og lo vindinger. Tråden var kobbertråd med en diameter på ca. 1,27 mm (uisoleret). Spolerne i hver spolegruppe spændte fra yderste til inderste spole over henholdsvis 11,9 og 7 tænder. "Spredningen" af et sammenhørende par spolegrupper var således seks noter eller 9o mekaniske grader. Det vil således forstås, at otte noter indeholdt 14 ledere, nemlig 7 bifilare lederpar, medens resten af noterne havde 2o ledere hver.

Rotormagneterne var dannet af ferritmagnetmateriale fra Allen Bradley Co. og betegnet som M-7 materiale. Buelængden af hver af de to anvendte magneter var 143 mekaniske grader, tykkelsen var ca.

6,35 mm, og den aksiale længde var ca. 5 cm. Magneterne var epoxy klæbet til en massiv blødtjernsrotorkerne, og den samlede rotor havde en ydre diameter på ca. 5o,3 mm. Kommutering og afføling blev udført med kredsløb i det væsentlige identiske med de heri viste. De anvendte kredsløbskomponenter, dvs. transistorer, modstande, kondensatorer osv., var almindeligt anvendte typer og blev udvalgt til at have kun tilstrækkelig normeret spænding og strøm og forstærkning til at levere

19 DK 159229 B

op til 3o ampere til motorviklingerne. Motoren blev kommuteret med fra nul til 22 elektriske graders fremrykning. Da motoren var en topolet motor, var elektriske grader naturligvis lig med mekaniske grader.

I tabel I er angivet to virkningsgrads- og momentkolonner. Det totale moment repræsenterer momentet, som frembringes af motoren uden hensyn til luftmodstands- og friktionstab. Den første virkningsgradskolonne var også virkningsgraden af motoren uden hensyn til luftmodstand og friktionstab, selv om der var taget hensyn til kobber- og kommutator-kredsløbstab. Nettomomentet er det tilgængelige nettomoment på motorens aksel, og nettovirkningsgraden er den samlede virkningsgrad af motorsystemet inclusive kommutatoren. Den betydelige reduktion i nettovirkningsgraden på grund af luftmodstands- og lejetabene var at forvente, fordi den afprøvede motor kun var ca. l/2o del hestekraft.

Tabel I viser den betydelige forbedring i virkningsgrad og moment, som er opnåelig ved fremrykning af kommuteringen. En 15 elektriske graders fremrykning vil således tilvejebringe tydeligt større maksimal virkningsgrad ved 26oo omdrejninger pr. minut, hvorimod en fremrykning på 22 grader vil tilvejebringe tydeligt større maksimalt moment ved 26oo omdrejninger pr. minut.

Claims

20 DK 159229 B Patentkrav.

1. Børstefri jævnstrømsmotor med et stationært anker (15) omfattende en ankerkerne (16) og et antal viklingsvindinger (22) anbragt på ankerkernen, en permanent magnetrotor (10), der er indrettet til at rotere omkring en langsgående akse (11) i afhængighed af magnetfelter, som frembringes af kommuteringsstrømme frembragt i viklingsvindingerne på ankerkernen (16), og kommuteringsorganer (40, fig. 6,9 og 10) til frembringelse af positionsstyresignaler (Α,Β,Α,Β), der angiver drejningspositionen af rotoren (10) i forhold til ankerkernen (16), og til at bevirke kommutering af hver af viklingsvindingerne (22), kendetegnet ved, at kommute-ringsorganerne indbefatter indstillelige fremrykningsorganer (40) til kommutering af hver af viklingsvindingerne (22) ved en ønsket fremrykningsvinkel (a, fig. 3), før rotoren drejer til en position, hvor midten af en rotormagnetpol (14, fig. 3) med en første polaritet (S) er forskudt det teoretisk optimale antal elektriske grader (fig. 3) ud fra midten af en magnetpol (Nb, fig. 3) med en polaritet modsat den første polaritet (S) og frembragt af viklingsvindingen (22b), som kommuteres.

2. Jævnstrømsmotor ifølge krav 1, kendetegnet ved, at det teoretisk optimale antal elektriske grader er 135.

3. Jævnstrømsmotor ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at viklingsvindingerne dækker en minimumsbuestørrelse i området fra 30 elektriske grader til 120 elektriske grader af det stationære anker (15), og at buelængden af de permanente magneter (13,14) på rotoren (10) ligger i området fra 120 elektriske grader til 170 elektriske grader.

4. Jævnstrømsmotor ifølge krav 1 eller 2, og hvor kommute-ringsorganerne (40) har i det mindste et fast element (43,44) og mindst et bevægeligt element (41), hvor det bevægelige element er drejeligt i forhold til det faste element, og et af elementerne indbefatter en energisender (55) og et føleorgan (56), som er koblet til at modtage energi fra energi senderen, og det andet af el ementerne (41) indbefatter et organ (46) til periodisk at afbryde energien, som udsendes fra senderen, en konsol (42,53,54), som er monteret i fast forudbestemt stilling i forhold til ankeret (15) til understøtning af det faste element (43,44) i fast stilling i forhold til ankeret, idet det bevægelige element (41) er monteret på rotoren 2' DK 159229 B for at rotere sammen med denne, og hvor konsollen er anbragt således i forhold til det stationære anker og til rotoren, at det bevægelige element periodisk afbryder energien, som overføres mellem senderen og føleorganet, kendetegnet ved, at konsollen omfatter et første segment (42), der er fastgjort til det stationære anker, og et andet segment (53), der er understøttet radialt inden for det første segment for at understøtte det faste element, og at konsollen yderligere indbefatter et organ (54) til indbyrdes forbindelse af det første og andet segment, hvilket forbindelsesorgan er udformet således, at det passerer over i det mindste nogle af vindingerne af viklingsvindingerne, således at det faste element (43,44) er beliggende inden for endevindingerne.

5. Jævnstrømsmotor ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at de indstillelige fremrykningsorganer (40,42,52) er indrettet til at bevirke fremrykning af kommuteringen af viklingsvindingerne med en vinkel (a) på fra ca. 5 til ca. 25 elektriske grader for at hjælpe opbygningen af strømmen, når viklingsvindingerne strømforsynes under driftstilstand.

6. Jævnstrømsmotor ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at fremrykningen af kommuteringen af viklingsvindingerne (22) med en vinkel (a) frembringer en mod-EMK i viklingsvindingen, som kommuteres, der er mindre end, når polakserne for rotoren og viklingsvindingen ligger på linie med hinanden, så at strømmens opbygningstid i viklingsvindingen reduceres tilsvarende.

7. Jævnstrømsmotor ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at kommuteringsorganerne er indrettet til at bringe i det mindste en af viklingerne til at deaktiveres, og at der findes organer (88) til at shunte strøm i det henfaldende magnetfelt fra den deaktiverede vikling.

8. Jævnstrømsmotor ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at kommuteringsorganerne er indrettet til at bringe i det mindste en af viklingerne til at deaktiveres, og at der findes organer (91) til at absorbere energi, som frigives af det henfaldende magnetfelt fra den deaktiverede vikling.