DE2040357A1 - Burstenloser Gleichstrommotor - Google Patents

Description

Patentanwälte

Dipl. Ing. C.Wallach 13. AUG. 1970

DIpI. Ing. G. Koch
Dr. T. Haibach
8 München 2
Kaulingerstf. 8. Tel. 240275 12 78I - Frf/Hl

SPERRY RAND CORPORATION, New York / USA

Bürstenloser Gleichstrommotor

Die Erfindung bezieht sich auf bürsfceniose Elektromotoren, die über Schaltkreise in Abhängigkeit vom modulierten Ausgangssignal von S trahlungs energiequellen j, ins besondere Lichtquellen, kommutiert werden. Im allgemeinen erfordern derartige Quellen eine niedrigere Betriebsspannung als die,, die der Motor selbst benötigt. Bekannte Verfahren.zur Erzeugung einer derartigen niedrigeren SpanmmgsVersorgung haben gewisse >lachteile. So ist es klar» daß eins getrennte aweite Energiequelle oder ein Vorschaltwiderstand in Serie mit der vorhandenen MotorspannungsVersorgung den Raumbedarf und die Kosten der Ausrüstung erhöht. Pie Reihenschaltung der vorhandenen Motorenergisversorgung rait decs Mofeor selbst als Widerstand kann bei vielen Anwendungen die Stabilität der Sehalt= kreis© und damit auch der Komrautleipußgsperiode des Motors gefährden.

Erfindungsgemäß wird die Strahlungseraergiequelle aus der gleichen Spannungsversorgung wie der Motor betrieben, und swar

1Q9809/1S1?

2 ■.. - 2 -

in Serie mit einem Widerstand, der durch die Elenente des Schaltkreises gegeben iat.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten AusfUhrungsbeispieles näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine teilweise perspektivische, achematleche Zeichnung eines Motors und der damit verbundβ-nen elektrischen Schaltung;

Fig. 2 ein Schaltbild der elektrischen Schaltelemente naoh Pig. I.

Ein umkehrbarer bürstenloser Gleichstrommotor weist einen aua einem Paar von diametral entgegengesetzten Statorpolen13i bestehenden Stator U auf. Zwischen den Statorpolen ist ein in Abhängigkeit von den in den Statorpolen erzeugten magnetischen Feldern drehbarer permanentmagnetischer Rotor 17 angeordnet. Jeder Statorpol trägt zwei entgegengesetzt gewickelte Spulen. So ist der Statorpol 13 mit den Spulen 19 und 21 bewiokelt, während der Pol 15 mit den Spulen 23 und 25 bewickelt 1st. Die Spulen 19 und 23 sind über eine Leitung 24 in Serie geschaltet, während die Spulen 21 und 25 Über eine Leitung 26 in Serie geschaltet sind. Die Spulen 19 und 23« 21 und 25 sind Über einen Umßteuerschalter 27 und Leitungen 31 und 33 nit einer Steuerschaltung 29 verbunden. Die Steuerschaltung, die im folgenden noch näher erläutert wird, liefert eine unipolare Spannung abwechselnd an die Leitungen }1 und 33·

Die in Serie geschalteten Spulen 19 und 23 bilden zusammen eine erste Statorwicklung, die bei Erregung der Spulen ein

1 O 9 8 Q 9 / 1 S 1 7

ORIGINAL INSPECTED

Magnetfeld Über den Rotor in einer ersten Richtung erzeugt. Entsprechend bilden die in Serie geschalteten Spulen 21 und 25 eine zweite Statorwioklung, die bei Erregung der Spulen ein Magnetfeld über den Rotor in entgegengesetzter Richtung erzeugen. Der Strom aus den Statorwicklungen wird zur Steuerschaltung 29 über die gerneineame Leitung J4 surUokgeführt.

Die Steuerschaltung 29 erzeugt in Abhängigkeit von den Signalen eines optischen Fühlers 35 abwechselnd an den Leitungen 31 und 33 Speisespannungen für die Statorwioklung. Der Fühler spricht auf Lichtenergie aus einer Lichtquelle 37 an. Die Energie aus der Lichtquelle 37 wird aufgrund der Umdrehung des Rotors durch ein Modulationsglied 39 moduliert.

Die Quelle 37 ist eine Glühlampe! e* könnte aber genauso gut eine andere konventionelle Lichtquelle, wie z.B. eine Festkörper-Blektroiumlneszenzdiode, wie eine Galllum-Arsenidquelie sein. Der Fühler 1st eine geeignete konventionelle lichtempfindliche Diode. Das Modulationsglied 39 hat die Form eines halbkreisförmigen, aus lichtundiurchlässigera Material hergestellten optischen Verschlusses, der den Lichtstrahl aus der Lichtquelle 37 wKhrend einer Hälfte der Rotorumdrehung unterbricht und während der anderen Hälfte den Lichtdurchgang zum Fühler 35 erlaubt.

Es sei angenommen» daß die Steuerschaltung 29 derart aufgebaut ist, das die Leitung 31 bei Beleuchtung des Fühlers 35 angesteuert wird, und daß bei Verdunkelung des Fühlers 35 die Leitung 33 angesteuert wird. Die Steuerschaltung wird Über ein Paar von S&naalXoitungen 41 und 42 mit Energie versorgt.

10 9 8 0 9/1517

2 O U U 3 5 . n .

Entsprechend Flg. 2 umfaßt die Steuerschaltung 29 eine erste Schaltstufe 43 und eine zweite Schaltstufe 45. Jede Stufe wird Über die Sammelleitungen 41 und 42 mit Energie versorgt. Der Kollektor des Fühlers 35 ist direkt mit der positiven Sammelleitung 41 verbunden. Der Emitter des Fühlers 35 ist über zwei Widerstände 47 und 49 mit der negativen Sammelschiene 42 verbunden. Ein Steuersignal an dem Verbindungspunkt der Widerstände wird an die Basiselektrode eines Verstärkertranslstors $1 In der Schaltstufe 43 ange legt. Die Verstärkung dieses Transistors reicht aus, um einen Schalttransistor 59 zwischen Sperrung und Sättigung anzusteuern. Die AusgangssignalanschlUsse des Transistors 51 sind der Emitter 53 und der Kollektor 55, wobei der letztere über die Lichtquelle 37 aus der positiven Sammelleitung 41 mit Energie versorgt wird. Der Emitter 53 1st über einen Emitterwiderstand 57 an die negative Sammelleitung 42 und an die Basiselektrode des Schalttransistors 59 angeschaltet. Die Ausgangeslgnalanechlüsse des Schalttransistors sind ein Über den Umsteuerschalter 27 und Über eine der Statorwicklungen 19, 23; 21, 25 mit der positiven Sammelleitung 41 verbundener Kollektor 6l und eine direkt mit der negativen Sammelleitung 42 verbundene Emitterelek-

) trode.

Die Motorwicklung 63 umfaßt die Spulen 21 und 25 und wird Über den Schalttranslator 59 erregt, wenn der Umsteuerschalter 27 in der Gegenuhrzeigersinn-Stellung liegt.

Die Spannung an der Emitterelektrode des Fühlers 35 wird außerdem an ein Spannungsteilernetzwerk mit einem ersten Widerstand 65 und eines zweiten« alt der negativen Sammelleitung 42 verbundenen Widerstand 6? angelegt. Die Spannung am

1 0 9 8 0! 9 / I 6 1 7

2 O 4 ü i 5

Verbindungspunkt dieser beiden Widerstände wird der Basiselektrode eines invertierenden Transistors 69 zugeführt. Die Emitterelektrode des Transistors 69 ist direkt mit der negativen Sammelleitung 42 verbunden. Die Kollektorelektrode des Transistors 69 1st über einen Kollektorwiderstand 71 mit der positiven Sammelleitung 41 verbunden»

Die Kollektorspannung des Transistors 69 wird der Basis·= elektrode eines Verstärkertransistors 73 zugeführt. Diese Spannung stellt ein Steuersignal dar. Weil dieses Signal Jedoch von dem invertierenden Transistor 69 abgeleitet ist/ ist es in Gegenphase zu dem entsprechenden, an den Verstärkertransistor 51 in der Schaltstufe 43 angelegten Steuersignal.

Der Ausgangskreis des Verstärkertransistors 73 besteht aus einer über die Lichtquelle 37 mit der positiven Sammelleitung verbundenen Kollektorelektrode 74. Diese Kollektorelektrode ist außerdem direkt mit der entsprechenden Kollektorelektrode des Transistors 51 im Schaltkreis 43-verbunden.-

Der Äusgangskreis des Transistors 73 umfaßt weiterhin eine über den Emitterwiderstand 77 mit der negativen Sammelleitung 42 verbundene Emitterelektrode 75. Die Emitterspannung wird einem Sehalttransistor 79 zugeführt. Der Ausgangskreis dieses Schalttransistors umfaßt eine direkt.mit der negativen Sammelleitung verbundene Emitterelektrode 8l und eine über die Leitung 35* über den Umsteuerschalter 27 und entweder über die Statorwicklung 63 oder über die Statorwieklung 83 mit der positiven Sammelleitung 4l verbundenen. Kollektorelektrode. Pur eine Drehung gegen den Uhrzeigersinn wird die Wicklung 83 ausgewählt.

./■ 109809/1S17

2 , J57

Jeder 3er Verstärkertransistoren 5* und 73 wird Über die Lichtquelle 37 mit Energie versorgt, wobei der Spannungsabfall längs dieser beiden Transistoren ausreichend ist, um die Lampe mit ihrer Nennspannung zu betreiben. Damit sind keine Süßeren Widerstände zur Erzeugung einer passenden Lampenspannung erforderlich und es wird keine Energie zur Erfüllung dieser Punktion verschwendet.

Die Emitterelektroden der Schalttransistoren 59 und 79 sind direkt mit der negativen Sammelleitung 42 verbunden. Damit ist, wenn einer dieser Transistoren gesättigt ist, die zugehörige Statorwicklung direkt zwischen die Sammelleitungen geschaltet.

Die Verstärkertransistoren 51 und 73 liefern eine zum Schalten dee entsprechenden Schalttransistors zwischen dem gesperrten und dem gesKttigen Zustand ausreichende Spannung und Temperatürandοrungen haben daher keinen nennenswerten Einfluß auf die Schaltcharakteristik der Schalttranalstoren.

Die erfindungsgemäße Betriebsweise 1st anhand der Pig. I und 2 verständlich. Es sei angenommen, daß der Umsteuerschalter 27 in die Stellung für die Drehung gegen den Uhrzeigersinn umgelegt ist und daß der Rotor zu Anfang in der In Pig. I gezeigten Stellung ist.

Unter diesen Bedingungen blockiert der Verschluß 39 die Lichtstrahlung von der Lampe 37, so daß der Fühler 35 dunkel ist. Im verdunkelten Zustand liefert der Fühler 35 ein Steuersignal mit niedrigem Pegel an den Transistor 51 in der Schaltstufe 43· Damit wird der Sehalttransistor 59 in den Sperrzußtand gebracht. Zur gleichen Zelt wird das Signal des Fühlers 35 an den invertierenden Transistor 69 angelegt, der

109809/1$17

ORIGINAL INSPECTED

2 C A Q 3 5 7

ein Steuersignal mit hohem Pegel an den Verstärkerfepansletop 73 in der Schaltstufβ - 45 anlegt und 8© den Schalttransistor 79 In die Sättigung bringt und «Sie Statorwicklung 83 ansteuert. Damit ergibt sich ein magnetischer Nordpol am Statorpol 13 und ein magnetischer Südpol am Statorpol I5. Die entisp rechenden Magnetpole im Rotor 17 werden damit abgestoßen und dtr Hotor beginnt sieh In der gewünschten Qegenuhraelgersinn-Kichtung zu drehen.

Wenn der Rotor sich in eine derartige Position gedreht hat,, daß der magnetische HOrdpol. im Rotor Eilt der Achse des Statorpols 15 über®lest!mat, hat sich der ¥erschluB39 in eine derartige Stellung gedreht, daß er den Strahlengang aus der Lichtquelle JF «um fühler 35 nicht mehr unterbricht.

Damit wird das PUhlergXied beleuchtet und erzeugt ein Steuersignal für den Verstärker transistor- 51 in der Stufe 4-5, wodurch dieser Transistor leitend wir«! «ad <äen Sefealt« transistor 59 in dl® Sftttigung bringt.

Das glelohe Ausg&ngselgnftl des PUhlergliedee 35 durchläuft den Invertierenden Trane is los» 69 in uer S ehalte feitfe 45 und bewirkt« daß der Setolttraasistor ?9 gesperrt wird« iun let dl© Statontlcklung 63 angesteuert und die Statonrlcklung 83 Ist abgeschaltet. Bas ¥on den Statorwicklungen erzeugte Nagnetfeld ist nun In der Richtung imgekehrt und eier Hotor setst seine Dr@huisg gegen den tßirseigerslnn fort, um dieser .Änderung am Magnetfeldes zu folgen.

Wenn der ft&sler 50, fc«le!:£3htet isst, ist der i Tmaslet^r ia'df-r Sfefe 43 gesSttigt· Dssifc isfe'äte Basis 5ββ .^e^wtSvScoPtreiiislstiors 73 &i7&A -nib cies¹⁵ negativen S&isa

« Mx^m E<?i i':;:xl ami- B

& :· ϋ 4 / ι S \ f

BAD ORlQlNAL

2 O A Ü 3 5 7

eine positive Abschaltung der normalerweise leitenden Stufe 45- Well der Eingangskreis des Verstärkertranßlstors unter diesen Bedingungen praktisch kurzgeschlossen Ist, ist die Temperaturempfindliehkeit sehr gering.

Ee wurde vorausgesetzt, daß die Magnetachse des Rotors beim ersten Anlegen der Energie an den Motor geringfügig von der Ausrichtung in den Statorpolen abweichend war. Mittel zur automatischen Erzielung einer derartigen Abweichung sind bereits bekannt.

Obwohl die Quelle und die Fixiervorrichtung als optische Elemente beschrieben wurden, brauchen diese Elemente selbstverständlich nicht unbedingt im sichtbaren Spektrum zu arbeiten. Im allgemeinen kann irgendeine beliebige Strahlungsenergiefonn verwendet werden« falls dies gewünscht wird. Weiterhin können, falls gewünscht, bekannte Typen von den Halleffekt ausnutzenden Elementen verwendet werden. Die grundlegende Wirkungsweise des Modulationegliedes ist es. Signale mit hohem und niedrigem Pegel Über entgegengesetzte halbe Umdrehungen der Motorumdrehung zu liefern.

Es wurde ein besonderer umsteuerbarer Motor beschrieben. Es ist Jedoch klar, daß der Grundgedanke der Erfindung auch bei nicht umsteuerbaren Motoren durch einfaches Portlassen des Umsteuerschalters angewendet werden kann. Bei bestimmten nicht umsteuerbaren Motoren kann es zweckmäßig sein, zur Vereinfachung der Konstruktion die ganze Spule 63 auf einen Statorpol und die ganze Spule 83 auf den anderen Statorpol zu wickeln. Jede Wicklung wird dann so gewickelt, daß die den gleichen Magnetpol des Rotors anzieht.

Obwohl der In Fig. 1 gezeigte Motor nur ein Stator-Polpaar aufweist, ist es für den Fachmann Jedoch klar, daß der Orund-

109809/151? ./.

2Ü4U357 - 9 -

gedanke der Erfindung auf bekannte Arten von Motoren mit zwei oder mehreren Stator-Polpaaren angewendet werden kann, wobei die Polpaare abwechselnd angesteuert werden. Bei einer solchen Ausführung würde der Verschluß 39 mit Quadranten oder Sektoren mit kleinerem Öffnungswinkel ausgebildet werden, so daß der Fühler abwechselnd bestrahlt und abgeschirmt wird, wenn der Motor aufeinanderfolgende Quadranten oder Sektoren durchläuft.

Pat^ntanspr Uoiie- s

109809/1517

Claims (2)

1. 2 L. -. . 3 5 - ίο -

   l.J BUratenloBer Gleicht troir.riictor, bei Je.a 1.3

   'olarität des Stator3 durch elnea Schaltkreis in Abn'nglgkeit von der modulierten Strahlung eirer Strahlung energiequelle gesteuert wird, viobel die Strahiuiägsenergiacji;ile mit elektrischem Strom gespeist wird und eLie nielr" ,^re Betriebsspannung als der Motor benötigt, und bei lei: rile Strahlungsenergiequelle von der gleichen Spannung.äv :-sor-· gung wie der Motor mit Leistung versorgt wird, daduroh g e kennzeich η st, daß die Strahlungsenergie;^, ülle in Serie mit einem Widerstand geschaltet 1st, der du ch die Schaltelemente des Schaltkreises gebildet wird.
2. 2. BUrstenlosar Gleichstrommotor nach Anapruch 1,

   bei dem der Schaltkreis eine Verstärkers tuff! aufweist, dadurch 2 e k (.· η η ?, e i c h η a t , daß die den 7'iiihenwiderstand bildenden -i'-haltelecsnte in diener Stufe .nthalten sind«

   3· BUrctenlo ;ci- Gleichetraminoicr nach Ant;px'tiün 2,

   bei dem c.er Soh£ilfcl:riii.s zwei Sühalterelernente umfaßt, die zur Steuerung der Polaii'ifcfit des Motorstators abwechselnd durchlässig sina Lind „jeweils von eine* Yerstarkertrfa,*:..;.; Istor angesteuert werden, In :l dein ein erster Ausgang jede¹· v^rijr··- stSrkertransistoi's mi·; tine/a Pol der ;^o

   109809/1517

   BAD ORIQINAL

   - ii - .

   vnC o3tj ™'tei\^j Αικρρρσ aiii: der incü ~: °c Γ ο 3 Oi' sol? M s^cprtt ./{.,<! quell^Λ 7< ι ttTCo·* .*tt >ί γ

   pin '^j.'j dan η η UQ₁L ι J'JT^, lc JFL3 3 „i* »

   ä i 0]»ι i. ^ rf 2 tr ^t₁₁ £' j^τ *ii 11"' -"^ ~_t\i ~ it'oILle &!§

   "Kr^r ί ' ?i' " '■* * ^" "¹I i;„"·!. J '" - ζ ζ c !j " α a «=>

   r ^T c Ji π " ^Γ τ ''Aj »J η ,Cr »a¹·¹ nvnr< -' ,. ^trmipi^o .■'K'-öea Tf-Ii₁₁ Γλ' ?" i.'^ri »i' r "¹I*.. l^fj- ^ u'£ .ι, ^" ·" π „' cue .. Fei

   1OS8.09/1517

   INSPECTED

   Leerseite