NL8503249A - Borstelloze gelijkstroommotor. - Google Patents

Description

* *^r » PHN 11.566 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

Borstelloze gelijkstroommotor.

De uitvinding betreft een borstelloze gelijkstroommotor omvattende een permanent magnetische rotor, een stator van magnetiseerbaar materiaal, waarin een aantal statorspoelen zijn aangebracht, die tussen tenminste drie aansluitpunten zijn geschakeld, 5 alsmede een elektronische commutatie-inrichting, die ter bekrachtiging van de statorspoelen, de aansluitpunten volgens een cyclisch schakelpatroon kan verbinden met en loskoppelen van een of beide polen van een gelijkspanningsbron, waarbij tijdens commutatie-intervallen althans een van de polen van de gelijkspanningsbron van een aansluitpunt 10 wordt losgekoppeld en met een ander aansluitpunt wordt verbonden.

Een dergelijke gelijkstroommotor is bekend uit het Duitse Offenlegungschrift DE 29.40.637. Dergelijke gelijkstroommotoren worden vanwege hun relatief eenvoudig machinaal te vervaardigen constructie en hun goede regelbaarheid frequent toegepast in massaprodukten waarin de 15 snelheid van bepaalde onderdelen nauwkeurig geregeld moet worden, zoals bijvoorbeeld in audio- en videorecorders. Een nadeel van een dergelijke van een magnetiseerbare stator voorziene motor is de hoge zelfinduktie van de statorspoelen. Deze hoge zelfindukties zijn er de oorzaak van dat overgangsverschijnselen met relatief grote tijdconstanten ontstaan in de 20 bekrachtigingsstromen, welke overgangsverschijnselen op hun beurt weer variaties in het drijvend koppel tot gevolg hebben.

Deze koppelvariaties maken dit type motor minder geschikt voor toepassingen waar extreem hoge eisen aan de gelijkmatigheid van de motorsnelheid worden gesteld, zoals bijvoorbeeld aan de aandrijfmotor 25 van de roterende weergave- en opnamekoppen van videorecorders, waar de maximaal toegestane snelheidsvariaties in de orde grootte van 10~* maal de nominale snelheid liggen.

De uitvinding stelt zich ten doel een gelijkstroommotor van het in de aanhef genoemde type te verschaffen waarbij de 30 gelijkmatigheid van het aandrijvend koppel is verbeterd.

Dit doel wordt bij een gelijkstroommotor volgens de aanhef bereikt doordat de gelijkstroommotor is voorzien van -r ’ »· ^ PHN 11.566 2 stuurmiddelen die ter vermindering van variaties in het motorkoppel, welke worden veroorzaakt door overgangsverschijnselen in de bekrachtigingsstromen tijdens de commutatie, het loskoppelen en het verbinden binnen een commutatie-interval een bepaalde tijd ten opzichte 5 van elkaar verschoven, doen plaatsvinden.

De uitvinding berust op het inzicht dat door de tijdsverschuiving de koppelvariaties, veroorzaakt door het loskoppelen, grotendeels door de koppelvariaties, veroorzaakt door het tot stand brengen van een verbinding kunnen worden gecompenseerd, waardoor de 10 gelijkmatigheid van het motorkoppel en hierdoor ook de gelijkmatigheid van de motorsnelheid sterk wordt verbeterd.

Weliswaar is het uit de Europese octrooiaanvrage 0.043.138 bekend om bij de commutatie van een borstelloze gelijkstroommotor de uitschakeling van de bekrachtiging van een 15 statorspoel een bepaalde tijd ten opzichte van de inschakeling van de bekrachtiging van de volgende statorspoel te vertragen, maar het betreft hier echter een maatregel ter voorkoming van doorslag van de schakeltransistoren van de elektronische commutatieschakeling, waardoor vrijloopdiodes overbodig worden.

20 Verder is uit het Duitse Offenlegungsschrift DE 31.07.621 een twee-fasige borstelloze gelijkstroommotor bekend waarbij de bekrachtigingsperiodes voor twee fasen elkaar gedeeltelijk overlappen. Het betreft hier echter een maatregel ter kompensatie van de ongunstige koppelhoek-karakteristiek in het commutatiebereik resulterend in 25 koppelvermindering, die kenmerkend is voor een twee-fasige motor.

Uitvoeringsvormen van de uitvinding alsmede verdere voordelen ervan zullen hierna worden beschreven onder verwijzing naar de figuren 1 tot en met 7, waarin figuur 1 een doorsnede van de mechanische constructie van 30 een borstelloze gelijkstroommotor van een gebruikelijke soort toont, figuur 2 het elektrische schema van de borstelloze gelijkstroommotor toont, figuur 3 een magnetisch bestuurbare schakelinrichting toont, die deel uitmaakt van de commutatie-inrichting van de motor, 35 figuur 4 een aantal in de commutatie-inrichting voorkomende signalen toont als funktie van de rotorstand, figuren 5 en 6 de statorstromen in het door de ^ ~ \ Λ

Λ . .. ; J

PHN 11.566 3 statorstromen veroorzaakte motorkoppel toont als funktie van de tijd, en, figuur 7 een elektrisch schema van een aantrekkelijke uitvoeringsvorm van een gelijkstroommotor volgens de uitvinding toont.

5 Figuur 1 toont een doorsnede van een borstelloze gelijkstroommotor 22 van een gebruikelijke soort, omvattende een cilindervormige rotor 1 van permanent magnetisch materiaal die draaibaar om een ferromagnetische stator 2 is opgesteld. De hoek tussen rotor 1 en stator 2 is aangeduid met . Stator 2 is voorzien van een zestal, 10 zestig graden ten opzichte van elkaar verschoven, van schoenvormige uiteinden voorziene, statortanden 10, ... 15. Recht tegenover de schoenvormige uiteinden van de statortanden 10, ... 15 bevinden zich regelmatig over de rotoromtrek verdeeld een viertal magnetische noordpolen 5, 7, 9, 11 en een viertal magnetische zuidpolen 4, 6, 8, 15 23. Statortanden 10, ... 15 vormen de kern van respektievelijk statorspoelen 16, ..., 21, welke op de in figuur 2 weergegeven wijze tussen een drietal aansluitpunten A, B en C geschakeld zijn. Daarbij zijn statorspoelen 16 en 19 in serie geschakeld tussen aansluitpunt A en aansluitpunt C. Statorspoelen 17 en 20 zijn in serie geschakeld tussen 20 aansluitpunt A en aansluitpunt B. En statorspoelen 18 en 21 zijn in serie geschakeld tussen aansluitpunt B en aansluitpunt C. Aansluitpunten A, B en c zijn verbonden met een commutatie-inrichting 30, waarmee elk van de aansluitpunten A, B en C met een positieve pool 61 of een negatieve pool 62 van een gelijkspanningsbron 38 kan worden verbonden.

25 Daartoe is commutatie-inrichting 30 voorzien van een drietal identieke magneetveldbestuurde schakelinrichtingen 33, 34 en 35. Elk van de schakelinrichtingen (zie figuur 3) is voorzien van eerste elektronische schakelaar 39 en een tweede elektronische schakelaar 40, welke eerste schakelaar 39 tussen een eerste ingangsklem 36 en een uitgangsklem 41 is 30 geschakeld en welke tweede schakelaar 40 tussen een tweede ingangsklem 37 en uitgangsklem 41 is geschakeld. Schakelaars 39 en 40 zijn overbrugd door respektievelijk een vrijloopdiode 42 een een vrijloopdiode 43.

Elke schakelinrichting is verder voorzien van een Hall-detektor 50, een komparatorschakeling 51, een uitgangsversterker 52, en 35 een besturingsschakeling 57. Uitgangen 53, 54 van Hall-detektoren zijn verbonden met respektievelijk de positieve en de negatieve ingang van komperatorschakeling 51. Het uitgangssignaal Ho op uitgang 55, wordt .v < f '» PHN 11.566 4 toegevoerd aan ingang 56 van besturingsschakeling 57 en via uitgangsversterker 52 aan uitgang 58 van de schakelinrichting. Het ingangssignaal Hi op ingang 59 van de schakelinrichting wordt toegevoerd aan besturingsschakeling 57.

5 Hall-detektor 50 wekt in afhankelijkheid van de richting van het gedetekteerde magnetische veld een verschilspanning op tussen uitgang 53 en 54. Hall-detektor 50 en komparatorschakeling 51 zijn zo op elkaar afgestemd, dat komparatorschakeling 51 een logisch "1" signaal opwekt indien zich boven het detektievlak van detektor 50 een 10 magnetische noordpool bevindt en een logisch “0“ signaal opwekt indien zich boven het detektievlak een magnetische zuidpool bevindt. Besturingsschakeling 57 stuurt de schakelaars 39 en 40 in afhankelijkheid van ingangssignalen Hi en Ho open of dicht. In tabel 1 is de toestand van schakelaars 39 en 40 als funktie van Hi en Ho 15 weergegeven.

Hi Ho toestand toestand schakelaar 39 schakelaar 40 20 1 1 open open 1 0 dicht open 0 1 open dicht 0 0 open open 25 tabel 1

In de in figuur 2 weergegeven commutatie-inrichting 30 worden de signalen Ho1, Ho2, Ho3 op de uitgangen 58 van' respektievelijk schakelinrichtingen 33, 34 en 35 toegevoerd aan ingangen 59 van 30 respektievelijk schakelinrichtingen 35, 33 en 34 en fungeren als signaal Hi3, Hi1 en Hi2 voor respektievelijk schakelinrichtingen 35, 33 en 34. Uitgangen 41 van respektievelijk schakelinrichting 33, 34 en 35 zijn aangesloten op respektievelijk aansluitpunt A, B en C. De ingangsklemmen 36 van schakelinrichtingen 33, 34 en 35 zijn aangesloten op de positieve 35 pool van gelijkspanningsbron 38 en ingangsklemmen 37 zijn aangesloten op de negatieve pool van gelijkspanningsbron 38.

De afzonderlijke schakelinrichtingen 33, 34 en 35 zijn op •-Λ, "Λ . \ *·.-=· _ " * \ , f ··„ = .

+- ^ PHN 11.566 5 een gebruikelijke wijze zodanig symmetrisch aan stator 2 bevestigd dat ze zich op voldoende korte afstand bevinden om door het door rotor 1 opgewekte magneetveld in cyclische volgorde gestuurd te worden. De daarbij door schakelinrichtingen 33, 34 en 35 op uitgang 58 afgegeven 5 signalen Ho1, Ho2 en Ho3 zijn als funktie van de rotorstand in figuur 4 weergegeven. Signalen Ho1, Ho2 en Ho3 zijn identiek, aan respektievelijk de signalen Hi3, Hi1 en Hi2 op ingangen 59 van schakelinrichtingen 35, 33 en 34!

Met f1, ... f6 worden de opeenvolgende commutatiefasen 10 aangeduid. Het verloop van spanningen VA, VB en VC op respektievelijk aansluitpunten A, B en C zijn eveneens in figuur 4 weergegeven. De spanning VA op aansluitpunt A wordt bepaald door de toestand van de door de signalen Ho1 en Hi1 (= Ho2) bestuurde schakelaars 39 en 40 van schakelinrichting 33. Indien de signalen Ho1 en Hi1 beide dezelfde 15 logische waarde hebben zijn schakelaars 39 en 40 geopend, zodat knooppunt A volledig losgekoppeld is van spanningsbron 38. Dit komt voor tijdens de fase f3 en f6. De spanning op knooppunt A is dan onbepaald, wat aangeduid wordt met de stippellijn. Indien Ho1 = 1 en Hi1 = 0 (zoals gedurende f1 en f2) wordt schakelaar 39 in gesloten toestand gehouden.

20 Spanning VA1 is dan gelijk aan de spanning Vp op positieve pool 61 van spanningsbron 38. Indien Ho1 = 0 en Hi1 = 1 (zoals gedurende f4 en f5) wordt schakelaar 40 in gesloten toestand gehouden. De spanning op knooppunt is dan gelijk aan de spanning Vn op de negatieve klem van spanningsbron 38. Op overeenkomstige wijze worden de spanning VB door 25 de signalen Ho2 en Hi2, en wordt spanning VC door de signalen Ho3 en Hi3 bepaald.

In figuur 5 zijn de stromen door de statorspoelen als funktie van de tijd weergegeven bij een konstante mechanische belasting van motor 22. Hierin duidt IAB de stroom aan die van aansluitpunt A naar 30 aansluitpunt B vloeit. IBC duidt de stroom van aansluitpunt B naar aansluitpunt C aan en ICA duidt de stroom van aansluitpunt C naar aansluitpunt A aan. Tijdens commutatiefase f1 is het spanningsverschil tussen aansluitpunten A en B gelijk aan de klemspanning van gelijkspanninsbron 38. Gedurende deze fase neemt de stroom IAB toe tot 35 een waarde lm.

Bij de faseovergang van f1 naar f2 wordt de negatieve pool van spanningsbron 38 losgekoppeld van aansluitpunt B en verbonden ♦ » ,-¾ * PHN 11.566 6 met aansluitpunt C, waardoor de stroom IAB afneemt tot een waarde 1Im. Bij de faseovergang f2,f3 wordt de positieve pool van 2 spanningsbron 38 losgekoppeld van aansluitpunt A en verbonden met aansluitpunt B. De stroom neemt hierdoor nog verder af tot de waarde - 5 1Im. Bij de faseovergang f3,f4 wordt de negatieve pool Ί losgekoppeld van aansluitpunt C en verbonden met aansluitpunt A. De aansluitpunten A en B zijn dan rechtstreeks aangesloten op respektievelijk de negatieve pool 61 en positieve pool 62. De stroom IAB neemt nu af tot een minimumwaarde -lm. Vervolgens neemt IAB gedurende de 10 opeenvolgende fasen f5, f6 en f7 weer toe tot zijn maximumwaarde lm.

Het verloop van de stromen IBC en ICA komt overeen met het verloop van stroom IAB. De stromen IBC en ICA zijn echter respektievelijk 120° en 240° in fase ten opzichte van stroom IAB verschoven. Elk van de stromen IAB, IBC en ICA levert respektievelijk 15 een bijdrage MA, MB en MC tot het drijvend koppel MT van de motor 22. De bijdrage MA aan het koppel MT kan worden beschreven door MA = K.IAB.f(2^). Hierin is f(2$) een periodieke funktie van 2^. Bij benadering is f(2$) gelijk aan cos(2^).

De bijdrage MB en MC aan het koppel MT worden beschreven 20 door MB = K.IBC.f(2120°) en MC = K.ICA.f(2^ - 240°). De som MT van de bijdrages MA, MB en MC is eveneens in figuur 5 weergegeven.

Bij de faseovergangen wordt het drijvend koppel MT hoofdzakelijk veroorzaakt door twee van de drie stromen. Bij faseovergang f2 naar f3 zijn dit de stromen IBC en ICA. Op dit tijdstip 25 is 2 1} gelijk aan 90°, zodat de door IAB geleverde bijdrage MA vrijwel gelijk aan nul is.

Bij de faseovergang van f2 naar f3 wordt de overgangsstroom tijdens de overgang hoofdzakelijk veroorzaakt door de loskoppeling van knooppunt A. Als gevolg van de door de loskoppeling 30 veroorzaakte inductiespanningen in spoelen 16, 17, 19 en 20 komt vrijloopdiode 43 van schakelinrichting 33, die tussen aansluitpunt A en negatieve pool 62 is geschakeld, in geleiding, zodat de spanning op aansluitpunt A met een stap, die bij benadering gelijk is aan de klemspanning van spanningsbron 38, afneemt. Hierdoor zal stroom ICA snel 35 afnemen, met een snelheid die in hoofdzaak bepaald wordt door de genoemde stapgrootte en de door de spoelparameters bepaalde tijdconstante. Tegelijkertijd neemt stroom IAB snel toe als gevolg van '·> ’ ' » s > • » . ’ ^ PHN 11.566 7 de genoemde stapvormige spanningsverandering op aansluitpunt A. Na een korte tijd T1 zijn de stromen aan elkaar gelijk geworden, waarna de vrijloopdiode tussen aansluitpunt A en negatieve pool 62 uit geleiding gaat. Op dit moment hebben de stromen IAB en ICA hund eindwaarde 5 grotendeels bereikt. Daarna veranderen de stromen IAB en ICA met een langzame snelheid totdat ze hun eindwaarde bereikt hebben. De veranderingen in stroom IBC bij een faseovergang van f2 naar f3 worden in hoofdzaak bepaald door de tot-stand-brenging van de verbinding tussen de positieve pool 61 en aansluitpunt B veroorzaakte, stapvormige 10 spanningsverandering en de door de spoelparameters bepaalde tijdconstante T2. Deze stapvormige spanningsverandering op aansluitpunt B is slechts een fractie van de door het loskoppelen veroorzaakte stapvormige spanningsverandering op aansluitpunt A, zodat in vergelijking met de verandering van stroom ICA de verandering van stroom 15 IBC slechts langzaam verloopt. Deze verschillen hebben tot gevolg dat de door ICA bepaalde koppelbijdrage MA korte tijd na de faseovergang al sterk verminderd is, terwijl de door ICB bepaalde koppelbijdrage MB nog weinig is toegenomen. Dit resulteert in negatieve piekvormige veranderingen van het koppel MT bij de faseovergangen.

20 Volgens de uitvinding wordt in de hiervoor aangegeven uitvoeringsvorm het openen van de schakelaar voor het loskoppelen ten opzichte van het sluiten van de schakelaar voor het verbinden over een tijdsinterval Γ3 vertraagd. In figuur 6 zijn de stromen IAB, IBC en ICA die dan optreden weergegeven. Door de maatregel volgens de 25 uitvinding wordt de koppelvermindering, veroorzaakt door het openen van de schakelaar, uitgesteld totdat de veel langzamere koppeltoename, veroorzaakt door het sluiten van een schakelaar, een voldoende grote waarde bereikt heeft. De invloed op het koppel MT van deze maatregel is eveneens in figuur 6 weergegeven. Ter verduidelijking is bovendien het 30 koppelverloop zonder deze maatregel met een stippellijn aangegeven.

Zoals duidelijk uit figuur 6 blijkt zijn de koppelvariaties bij de faseovergangen door de maatregel volgens de uitvinding sterk verminderd. Het effect van de maatregel is optimaal, indien T3 zodanig is gekozen dat de gemiddelde waarde van de door de 35 overgangsverschijnselen veroorzaakte koppelvariaties gelijk aan nul is (oppervlakte 01 = oppervlakte 02 in figuur 6).

In figuur 7 is een vanwege zijn eenvoud aantrekkelijke ' ’ * * , » ^ j ΡΗΝ 11.566 8 Λ uitvoeringsvorm van een commutatieschakeling 70 weergegeven, waarbij bij een faseovergang het openen van een schakelaar over het vaste tijdsinterval T3 ten opzichte van het sluiten van een schakelaar is vertraagd. De commutatie-inrichting 70 is vrijwel identiek met 5 commutatie-inrichting 30. Bij commutatie-inrichting 70 zijn echter uitgangen 58 van elk van de schakelinrichtingen 33, 34 en 35 via respektievelijk een kondensator 71, 72 en 73 verbonden met de nulpotentiaal. Hierdoor worden de signalen Ho1, Ho2 en Ho3 op de uitgangen 58 vertraagd doorgegeven aan de ingangen 59, waardoor het 10 tijdstip van openen van de schakelaars, (welk tijdstip uitsluitend wordt bepaald door een niveau-overgang van een van de signalen Hi1, Hi2 en Hi3 op de ingangen 50), wordt vertraagd. De kapaciteit C is zo gekozen dat de vertraging overeenkomt met de waarde T3.

In de hier beschreven uitvoeringsvorm wordt een 15 tijdsverschuiving verkregen door vertraging van besturingssignalen met behulp van kondensatoren. Het spreekt voor zich dat dit slechts een van de vele mogelijkheden is voor het verkrijgen van de tijdsverschuiving.

De uitvinding is geïllustreerd aan de hand van een 3-20 fasige 8-polige borstelloze gelijkstroommotor, waarin de statorspoelen in driehoek geschakeld zijn. De uitvinding is echter evengoed toepasbaar voor borstelloze gelijkstroommotoren met een groter aantal fasen of een ander aantal polen, of waarbij de statorspoelen niet in een m-hoek maar bijvoorbeeld in ster geschakeld zijn.

* , i

Claims (4)

1. Borstelloze gelijkstroommotor omvattende een permanent magnetische rotor, een stator van magnetiseerbaar materiaal, waarin een aantal statorspoelen zijn aangebracht, die tussen tenminste drie aansluitpunten zijn geschakeld, alsmede een elektronische comautatie-5 inrichting, die ter bekrachtiging van de statorspoelen, de aansluitpunten volgens een cyclisch schakelpatroon kan verbinden met en loskoppelen van een of beide polen van een gelijkspanningsbron, waarbij tijdens commutatie-intervallen althans een van de polen van de gelijkspanningsbron van een aansluitpunt wordt losgekoppeld en met een 10 ander aansluitpunt wordt verbonden, met het kenmerk, dat de gelijkstroommotor is voorzien van stuurmiddelen die ter vermindering van variaties in het motorkoppel, welke worden veroorzaakt door overgangsveschijnselen in de bekrachtigingsstromen tijdens de commutatie, het loskoppelen en het verbinden binnen een commutatie-15 interval een bepaalde tijd ten opzichte van elkaar verschoven, doen plaatsvinden.

2. Gelijkstroommotor volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de stuurmiddelen een zodanige tijdsverschuiving bewerkstelligen, dat de gemiddelde waardes van de genoemde koppelvariaties tijdens de 20 commutatie-intervallen althans bij benadering gelijk aan nul zijn.

3. Gelijkstroommotor volgens conclusie 1 of 2, waarbij het overgangsverschijnsel, dat het gevolg is van het loskoppelen, sneller gedempt wordt dan het overgangsverschijnsel dat het gevolg is van het verbinden, met het kenmerk, dat de stuurmiddelen zijn voorzien van 25 vertragingsmiddelen die het loskoppelen een voorafbepaalde tijd vertraagd ten opzichte van het verbinden doen plaatsvinden.

4. Gelijkstroommotor volgens een der voorgaande conclusies, waarbij de gelijkstroommotor een drie-fasige motor is.