NL7906770A - Schakeling voor een borstelloze gelijkstroommotor. - Google Patents

Description

N.O, 28.180 ·*

Schakeling voor een borstelloze gelijkstroommotor.

De uitvinding heeft betrekking op een schakeling voor een borstelloze gelijkstroommotor met een rotor in de vorm van een permanente magneet en met ten minste één poolpaar, welke motor voorzien is van twee wikelingen die via een gemeenschappelijke middenaanslui-5 ting elk met een pool van een gelijkspanningsbron en elk via een halfgeleiderschakelelement en een gemeenschappelijke serieschakeling van een effeningssmoor poel en een elektronische onderbrekerschakelaar met de andere podL van de gelijkspanningsbron zijn verbonden, waarbij een terugloopdiode tussen de verbindingsplaats van de effe-10 ningssmoorspoel en de onderbrekerschakelaar en de middenaansluiting is geschakeld en waarbij een, de draaihoekpositie van de rotor bepalende detectorinrichting door middel van een stuurschakeling de halfgeleider-schakelelementen in tegenfase in- en uitschakelt.

Bij een bekende schakeling van dit type is een gelijkstroom· -15 motor voorzien van twee poolparen en dus van vier wikkelingen, die alle met de middenaansluiting·zijn verbonden. De halfgeleider-schakelelementen bestaan uit door een stuureenheid afhankelijk van de draaihoekpositie van de rotor bestuurde transistoren; het vermogen van de motor wordt door het schakelvermogen van de transistoren 20 beprkt, in het bijzonder omdat deze bij het afschekalen van de wikkelingen worden belast door hoge, transformatorisch opgewekte spanningen. Ook bij de oinmagnetisering van het magnetisch circuit treden vermogen-verminderende verliezen op. Voor toerentalregeling is de aan de motorwikkelingen aangeboden spanning regelbaar. Het ge-25 beurt met behulp van de onderbrekerschakelaar, die eveneens in de vorm van een transistor is uitgevoerd. Deze wordt van stuurimpulsen voorzien door een toerentalregeling, welke stuurimpulsen een hogere frequentie hebben dan de omschakelfrequentie van de eerstgenoemde transistoren. ïïit de door de onderbrekerschakelaar doorgelaten 30 stroomimpulsen vormt de effeningssmoorspoel in samenwerking met de terugloopdiode een gemiddelde stroomwaarde.

Verder is een driefase-wisselstroomvormer bekend, die wordt gevoed vanuit een gelijkspanningsbron die een constante spanning afgeeft en voorzien is van een met wisselspanning gevoede teruggelijk-35 richter met daaropvolgende afvlakcondensator. In elke fase is de last aangesloten via een transformator, waarvan de primaire wikkeling twee delen bezit, waarvan de middenaansluiting is verbonden met een pool van de gelijkspanningsbron. De andere uiteinden van de wik- 7906770 -2-

Jf % , 1 kelingsdelen zijn via de .serieschakeling van een hlokkeerdiode en een gestuurde gelijkrichter verbonden met de andere pool van de ge-lijkspanningsbron. Een vrijloopdiode overbrugt dan telkens deze serie-schakeling. Tussen de.verbindingsplaatsen van blokkeerdiode en ge-5 stuurde gêijkrichter in beide serie schakelingen is een doofserie-schakeling bestaande uit een doofcondensator, een omtrilsmoorspoel geschakeld. D ze doofcondensator bevat onder invloed van de constante gelijkspanning en de in het telkens afgeschakelde wikkelingsdeel : ' opgewekte tegen-EMK met afwisselende polariteit een constante lading, 10 die voldoende is voor het doven van de telkens ontstoken gestuurde gelijkrichter. De vrijloopdioden, maken het mogelijk om de in een magnetisch circuit opgehoopte energie bij elk ommagnetiseringsproces om te vormen in elektrisch vermogen en terug te voeren in. de'gelijk-spanningsbron.

Ί 5 De uitvinding heeft nu ten doel een schakeling van in de aanhef beschreven soort te verschaffen waarmee het mogelijk is om een bor-stelloze gelijkstroommotor van hoog vermogen te besturen.

Aan deze doelstelling wordt volgens de uitvinding voldaan doordat de halfgeleiderschakelelementen bestaan uit gestuurde gelijkrich-20 er s, dat een doof schakeling aanwezig is die voorzien is van een, de van de effeningssmoorspoel afgekeerde zijden van de gestuurde gelijk-richters verbindende doofserieschakeling uit een doofcondensator en een omtrilsmoorspoel, alsmede een telkens anti-parallel aan elke gestuurde gelijkrichter geschakelde doofdiode, en dat ten minste een o 25 vrijloopdiode is aangebracht, die ten minste de afvlaksmoorspoel en de t4illerschakelaar overbrugt.

Bij deze schakeling kan de motor worden bedreven met hogere vermogens omdat de gestuurde gelijkrichters een hoger schakelvermogen hebben dan de transistoren en in het bijzonder belastbaar zijn met 50 hogere spanningen. Dit vraagt echter wel om een doofschakeling die steeds een voldoende commuteringsenergie ter beschikking stelt, ook dan wanneer bij een gering toerental de aan de motorwikkelingen toe · te voeren spanning laag is.

In het onderhavige geval behoeft de doofcondensator niet te wor-55 den vergroot en is een naar verhouding korte laadtijd dus voldoende, omdat ondanks de variabele middenwaarde van de motorspanning vanwege de functie van de trillerschakelaar in korte tijd afstanden telkens de volle gelijkspanning over de motorwikkelingen ligt, zodat de doofcondensator in samenhang met de tegen-EMK van telkens afgeschakelde 40 motorwikkeling snel zal worden opgeladen tot bij benadering de dub- 7 9 u e 7 7 0 -3- ♦ hele spanning van de gelijkspanningsbron. Ben verdere vermogensbe-sparing ontstaat door het gebruik van een vrijloopdiode, die vanwege zijn speciale positie ondanks het aanwezig zijn van de triller-schakelaar en de afvlaksmoorspoel bij het ommagnetiseringsproces een 5 energieterugwinning door overdracht aan de telkens andere motorwik-keling mogelijk maakt.

In veel gevallen is het voldoende wanneer alleen een vrijloop-diode aanwezig is, die de afvlaksmoOr spoel en de onderbrekerschakelaar overbrugt, omdat de vrijloopkring zich dan via de doofdioden 10 kan sluiten. Gunstiger is het echter als telkens een v±ijloopdiode tussen de van de middenaansluiting afgekeerde zijde van elke wikkeling en de andere pool van de gelijkspaningsbron wordt geschakeld.

In dat geval kunnen naar verhouding kleine doofdioden en vrijloop-dioden worden gebruikt, omdat elk van deze dioden slechts bemeten 15 behoeven te worden voor de hem toegewezen stroom.

Terder kan er tussen elke wikkeling en de doof-serieschakeling een in gélijke zin met de gestuurde gelijkrichter gepoolde blokkeer-diode geschakeld zijn. Met behulp van deze blokkeerdioden wordt een gedeeltelijke ontlading van de doofcondensator over de wikkelingen 20 verhinderd. De blokkeerdioden maken het ook mogelijk om een gelijk-spanningsbron te gebruiken die een slechts weinig afgevlakte wisselspanning afgeeft.

De doofdioden kunnen telkens de serieschakeling van de blokkeer- diode en de gestuurde gelijkrichter overbruggen, in het bijzonder 25 wanneer slechts één vrijloopdiode aanwezig is, die de onderbreker- * schakelaar en de afvlaksmoorspoel overbrugt. Bij toepassing van twee . ^ vfijloopdioden is het echter gunstiger om de doofdioden alleen de gestuurde gélijkrichters te laten overbruggen. Daardoor wordt het doofvermogen kleiner omdat in de doofkring alleen rekening behoeft 50 te worden gehouden met de spanningsval over een diode.

*

Bovendien kunnen getuurde gelijkrichters en doofdiode in geïntegreerde vorm worden gecombineerd. Dergelijke componenten zijn in de handel verkrijgbaar. Zij hebben het voordeel dat van het begin af aan de gestuurde gelijkrichter in sperrichting alleen door de 55 spanningsval over de doofdiode kan worden belast en derhalve de betreffende spanningsbestendigheid zeer klein kan zijn' (asymmetrische thyristor).

Het verdient voorts de voorkeur om middelen aan te brengen die ervoor zorgen, dat de rotor stilstaat in een punt buiten de positie, » 40 waarin de stuureenheid het omschakelen van de gestuurde gelijkrichter 7906770 t 4 -4- uitvoert. Dergelijke middelen kunnen bijvoorbeeld bestaan uit een permanente magneet. Op deze wijze wordt ervoor gezorgd dat er tot aan de omschakeling een zekere tijd verloopt, die voldoende is om de doofcondensator voor het eerste doctfproces op te laden.

5 De uitvinding wordt in het volgende aan de hand van een in de figuren weergegeven voorkeursuitvoeringsvoorbeeld nader verklaard.

Fig. 1 toont een blokschema van de schakeling volgens de uitvinding.

Fig. 2 toont een schema van een eerste uitvoeringsvorm.

10 Fig. 3 toont een schakeling van een tweede uitvoeringsvorm.

Fig. 4 toont stromen en spanningen uitgezet tegen de tijd tijdens let bedrijf van de schakeling volgens de uitvinding.

Fig. 5 toont enkele stroom- en spanningsvariaties uitgezet tegen de tijd _tijdens de start: van de schakeling.

15 In fig. 1 is een borstelloze gelijkstroommotor 1 getoond, voor zien van een tweepolige stator 2 met een magnetisch circuit 3 met twee polen 4 en 5· De rotor 6 bezit een permanente magneet. Elke pool 4 en 5 behoort bij een wikkeling N1 respectievelijk ΕΓ2. De wikkelingen hebben een gemeenschappelijke middenaansluiting 7 en hebben ruim-20 telijk gezien dezelfde wikkelrichting. Zij krijgen via een schakel-inrichting 8 afwisselend stroom toegevoerd. Deze schakelinrichting is aangesloten op een gaLijkspanningsbron 9 net constante gelijkspanning. Deze kan bijvoorbeeld worden gevormd door een batterij of door een met wisselspanning gevoede en eventueel van een afvlakcircuit 25 voorziene gelijkrichterschakeling. Een detectorinrichting 10, bijvoorbeeld een Hall-generator, geeft een van de draaihoekpositie van de rotor 6 afhankelijke signaal af aan de stuureenheid 11, welke stuur- j eenheid desbetreffende omschakelsignalen s1, s2 afgeeft aan de schakelinrichting 8. Een toerentaL-regelaar 12 ontvangt via de stuureen-30 heid 11 telkens met de momentane waarde van het toerental overeenstemmende signaal en via de ingang 13 een met de nominale waarde van het toerental overeenstemmend signsaL. Deze toerentalregelaar gesft een stuursignaal s3 af aan de schakelinrichting. Verder zijn er middelen 14, in dit geval een permanente magneet, aangebracht, die ervoor zor-35 gen dat de rotor stilstaat in een punt buiten de positie waarin de stuureenheid 11 de omschakeling uitvoert.

De fig. 2 en 3 tonen uitvoeringsvoorbeelden van de schakelinrichting 8 samen met de wikkelingen N1 en N2.

In fig. 1 staat de wikkeling N1 in serie met een sperdiode D1 40 en met een gestuurde gelijkrichter E1. De wikkeling N2 staat in serie 7906770 % -5- met een sperdiode D2 en een gestuurde gelijkrichter E2. Beide serie-sehakelingen zijn op hun beurt gemeenschappelijk in serie geschakeld

O

met een afvlaksmoorspoel L1 en een elektronische onderbrekerschakelaar Z, die op gebruikelijke wijze is opgebouwd bijvoorbeeld met 5 behulp van een verder gestuurde gelijkrichter, maar ook voorzien kan zijn van een transistor of iets dergelijks. De gestuurde gelijk-richters E1 en E2 worden gevoed door stuursignalen s1 en s2 van de stuureenheid 11, en de onderbrekerschakelaar Z wordt gestuurd door het stuursignaal s3 van de toerentalregelaar 12. De serieschakeling 10 van de ster diode D1 en de gestuurde gelijkrichter E1 is overbrugd door antiparallel geschakelde doofdiode D3» de serieschakeling van de sperdiode D2 en de gestuurde gelijkrichter E2 is overbrugd door een %ntiparallel geschakelde doofdiode D4. De doofkring omvat verder een serieschakeling van een doofcondensator C en een omtrilsmoorspoel 15 L2. Deze serieschakeling ligt tussen het verbindingspunt 15 van de sperdiode D1 en de gestuurde gelijkrichter E1 en het verbindingspunt 16 van de sperdiode D2 en de gestuurde gelijkrichter E2. Bovendien is er een vrijloopdiode D5 aanwezig, die de afvlaksmoorspoel L1 en de trillerschakelaar Z overbrugt. Een teruloopdiode D6 verbindt de-20 middenaansluiting 7 met het verbindingspunt 17 tussen de afvlaksmoorspoel L1 en de onderbrekerschakelaar Z.

De functie van deze schakeling wordt in het volgende verwijzend nar de in figuur 4 weergegeven stroom- en spanningsdiagrammen nader verklaard. Met behulp van de stuursignalen s1 en s2 worden de gestuur-25 de gelijkrichters E1 en E2 afwisselend in geleidende toestand gestuurd. Met behulp van het stuursignaal s3 wordt de onderbrekerschakelaar Z voortdurend in- en uitgeschakeld. De schakelfrequentie is aanzienlijk hoger , in de regel een factor 10 of meer hoger dan de omschakelfretentie van de gestuurde gelijkrichters ondaks deze onder- 50 brekerfunctie loopt er door de motorwikkelingen tijdens de inschakel- * periode continu een stroom omdat de afvlaksmoorspoel L1 gedurende de blokkeertijden van de onderbrekerschakelaar Z1 een terugloopstroom door de terugloopdiode D6 opwekt. Door verandering van de impulsbreedte van het stuursignai S3 en/of door verandering van de frequen-35 tie ervan kan de in- /uit-tijdverhouding van de onderbreker Z worden gewijzigd. Dat heeft tot gevolg, dat de over de motorwikkelinge M1 en M2 staande spanning wordt geregeld, hetgeen weer een verandering van de motorstroom en daarmee van het toerental tot gevolg heeft.

Omdat voor het bereiken van een hoger motorvermogen gestuurde 40 gelijkrichters als halfgeleider-schakelelementen worden gebruikt, 7906770 i -6- heeft men in tegenstelling tot transistoren een doofschakeling nodig. Deze is voorzien van een doof-serieschakeling bestaande uit de doof-condensator C en de omtrilsmoorspoel L2 tussen de verbindingspunten 15 en 16, alsmede beide doofdioden D3 en D4· Br wordt verondersteld, 5 dat de gestuurde gelijkrichter D1 ontstoken is en de doofcondensator C dusdanig is opgeladen, dat de rechter plaat een positieve potentiaal heeft. Wordt nu de gestuurde gelijkrichter E2 ontstoken, dan loopt er een doofstroom via deze gestuurde gelijkrichter E2, de gestuurde gelijkrichter E1 en de omtrilsmoorspoel L2 terug naar de doof-10 condensator C. Deze stroom heft de stroom in de gestuurde gelijkrichter E1 op,zodat deze blokkeert.De dan nog lopende stom wordt via de doofdiode D3> de sperdiode D1 en de omtrilsmoorspoel L2 gebruikt voor het tegengesteld opladen van de doofcondensator C. Aansluitend wordt de doofcondensator C verder opgeladen tot bij benadering de dubbele •jij waarde van de gelijkspanning, omdat na het doven van de gestuurde gelijkrichter E1 een ommagnetisering van het magnetische circuit 3 plaats vindt, waarbij in de wikkeling W 1 een spanning wordt opgewekt die wordt opgeteld bij de spanning van de gelijkspanningsbron 9- Deze hoge spanning is steeds dan werkzaam wanneer de onderbreker-2o schakelaar Z zich in de geleidende toestand bevindt. Dat betekent, dat de doofcondensator C de ontbrekende ladingshoeveelheid trapsgewijze, namelijk in het ritme van het inschakelen van de onderbheker-schakelaar Z toegevoerd krijgt. Deze wijze van oplading is onafhankelijk van de met behulp van de toerentalregelaar 12 ingestelde motor-25 spanning. Wordt nu de gestuurde gelijkrichter E1 ontstoken, dan wordt de doofcondensator 0 in tegengestelde richting ontladen, waardoor de gestuurde gelijkrichter E2 wordt gedoofd. De doofcondensatorspanning Uq heeft daarom de in fig. 4 getoonde vorm.

Bij het wissen van de gestuurde gelijkrichter E1 wordt de stroom 50 in de wikkeling ÏÏ1 plotseling onderbroken, als men afziet van de stroomimpuls voor het naladen van de doofcondensator C. Daardoor wordt transformatorisch in de wikkeling N2 een negatieve stroom opgewekt, die, omdat de stroomkring via de vrijloopdiode D5 en de doofdiode D4 gesloten is, terugvloeit in de gelijkspanningsbron 9- Deze yj stroom is verknoopt met een magnetische stroom, die dezelfde - ^richting heeft en die afkomstig was van de positieve stroom door de wikkeling N1. Deze negatieve stroom door de wikkeling W2 kan nuttige arbied leveren wanneer de elektrische omschakeling in de tijd gezien plaats vindt voor het ogenblik waarop de magnetische as van de rotor 40 door het magnetisch neutrale vlak van de stator gaat. Aansluitend 7SO δ 7 7 0 -7- > ontstaat ^en zwakke positieve stroom door de wikkeling N2 totdat de gestuurde gelijkrichter E2 wordt gedoofd. Hu wordt in de wikkeling F! een negatieve stroom gegenereerd. Het verloop van de beide wikkelingsstromen 1^ en 1^ is in fig. 4 geïllustreerd.

5 Omdat het stilstandsmiddel 14 van de motor β ervoor zorgt dat de stilstand wordt bereikt buiten de positie, waarin de omschakeling wordt uitgevoerd, verloopt er een zekere tijd totaan de eerste omschakeling. In deze periode wordt de doofcondensator C transgewijze, namelijk steeds dan wanneer de onderbrekersehakelaar Z geleidend is, 10 en er een stroom 1^ doorheen loopt, opgeladen tot de volle condensator spanning.

Bij de uitvoeringsvorm van fig. 3 zijn twee doofdioden D7 en D8 aangebracht, die telkens alleen de gestuurde gelijkrichters E1, respectievelijk E2 overbruggen. Dit heeft het voordeel dat er in de 15 doofkring na het doven van de gestuurde gelijkrichters slechts één diode aanwezig is. In overeenstemming daarmee is de spanningsval klein en is ook de door de omtrilsmoorspoel L2 veroorzaakte oplading van de doofcondensator C klein, zodat het ook het naladen klein is. Bovendien zijn de paren E1 - D7 en E2 - D8 ondergebracht 20 in een geïntegreerde bouwsteen zodat men asymmetrische thyristoren kan gebruiken, die in sperrichting slechts een kleine sperspanning nodig hebben.

Terder zijn er in plaats van esi vrijloopdiode D5 twee vrijloop-dioden D9 en D10 aangebracht, die telkens de van de middenaftakking 25 7 afgekeerde zijde van een wikkeling N1 respectievelijk N2 verbinden met de naar de gelijkspanningsbron 9 toegekeerde pool van de onder-brekerschakelaar Z. Omdat de doofdioden D7 en D8 alleen de doof-stroom moeten voeren behoede1 vrijloopdioden D9 en D10 alleen de vrijloopstroom te voeren. De dioden kunnen derhalve naar verhouding 30 zwak uitgevoerd zijn.

In beide uitvoeringsvoorbeelden kunnen de sperdioden D1 en D2 vervallen wanneer op de koop toe wordt genomen, dat de doofcondensator C zich via de beide wikkelingen steeds weer gedeeltelijk ontlaadt.

35 (conclusies) 7906770

Claims (7)

1. Schakeling voor een borstelloze gelijkstroommotor met rotor in de vorm van een permanente magneet en met ten minste een poolpaar, welke motor voorzien is van twee wikkelingen die via een gemeenschappelijke middenaansluiting zijn verbonden met de ene pool van een ge-lijkspanningsbron en via telkens een halfgeleider-schakelaarelement en een gemeenschappelijke serie schakeling van een afvlaksmoorspoel en een elektronische onderbrekerschakelaar zijn verbonden met de. andere pool van de gelijkspaningsbron, waarbij een terugloopdiode is aangebracht tussen het verbindingspunt van de afvlaksmoorspoel en de onderbrekerschakelaar en de genoemde midde aansluiting en waarbij, de draaipositiehoek van de rotor bepalende detectorinrich-ting door middel van een stuurschakeling de halfgeleiderschakelele-menten in tegenritme in- en uitschakelt, met het kenmerk, dat de halfgeleider-schakelelementen bestaan uit gestuurde gelijkrichters (E1,E2), dat een doofschakeling is aangebracht, die voorzien is van een, de van de afvlaksmoorspoel (L1) afgekeerde zijde van de gestuurde gelijkrichters verbindende doof-serieschake-ling uit een doofcondensator (c) en een omtrilsmoorspoel (L2) alsmede telkens anti-parallel aan elk van de gestuurde gelijkrichters geschakelde ooofciocen (C3> C4; C7, C8), en cat ten minste een vrij-loopcioce (C5; Cp, CIO) is aangebra ht die ten minste de afvlaksmoorspoel en de onderbrekerschakelaar (Z) overbrugt.

2. Schakeling volgens conclusie 1, m e t h. e .t kenmerk, dat telkens een vrijloopdiode (D9,D10) is geschald tussen de van de middenaftakking (7) afgekeerde zijde van elke wikkeling (N1,U2) en de andere pool van de gelijkspanningsbron (9)·

3· Schakeling volgens conclusie 1 of 2, me t het kenmerk, ’dat tussen elke wikkeling (N1,N2) en de doof-serieschakeling (C, L2) een in gelijke zin met de gestuurde gelijkrichter gepoolde sperdiode (D1,D2) is aangebracht.

4· Schakeling volgens conclusie 2 of ® e t het ken-me r k, dat de doofdioden (D7,D8) telkens alleen de gestuurde gelijkrichter (E1,E2) overbruggen.

5· Schakeling volgens conclusie 4 ? met; het kenmerk, dat de gestuurde gelijkrichters (E1,E2) en de doofdioden (D7,Dö) een geïntegreerde bouwsteen vormen.

6. Schakeling volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat middelen (14) aangebracht zijn, die zorgen voor de stilstand van de rotor (3) in een punt buiten de positie,

-7~S 0 6 7 7~8---- -9- waarin de stuureenheid(H) de omschakeling van de gestuurde gelijk-richters (E1,E2) uitvoert. * 7906770