DE2263242C2 - Kollektorloser Gleichstrommotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen Gleichstrommotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solcher Motor ist bekannt aus der DE-OS 20 00 498. Dieser Motor verwendet als Rotorstellungssensoren Magnetdiodenpaare, wobei jeweils ein Magnetdiodenpaar ein von der Rotorstellung abhängiges Einzelsignal liefert, das den Strom in zwei zugeordneten Statorwicklungen steuert. Dies geschieht über komplementäre bipolare Transistoren, also für die: eine Statorwicklung über einen npn- und für die andere Statorwicklung über einen pnp-Transistor. Dies macht es erforderlich, daß die eine dieser beiden Wicklungen an den Pluspol der Gleichspannungsquelle angeschlossen wird, die andere an den Mirrjspol. und da3 über einen Spannungsteiler ein Hilfspotential erzeugt werden muß, das etwa in der Mitte zwischen den Potentialen von Pluspol und Minuspol liegt. Der hierfür erforderliche Spannungsteiler erzeugt unerwünschte zusätzliche Verluste, welche den Wirkungsgrad eines solchen Motors herabsetzen, was besonders bei Anwendungen auf Fahrzeugen (Betrieb aus der Batterie!) sehr unerwünscht ist. Außerdem würde auch die Drehzahlregelung eines solchen Motors, die in der DE-OS nicht beschrieben ist, allenfalls unter erheblichem Aufwand möglich sein, nämlich durch Änderung der dem Motor zugeführten Gesamtspannung.

Man kennt ferner aus der DE-PS 12 40 980, welche der US-PS 32 00 316 entspricht, einen vierpulsigen. viersträngigen kollektorlosen Gleichstrommotor. (Die Begriffe vierpulsig und viersträngig werden hier und im nachfolgenden Text so verwendet, wie sie definiert sind in der Literaturstelle »asr-digest für angewandte Antriebstechnik«, Heft 1-2/1977, Seiten 27-31. Die Pulszahl bedeutet demnach die Zahl der Stromimpulse pro Rotordrehung von 360° el., und die Strangzahl bedeutet die Zahl der Wicklungssträrige der Statorwicklung.) — Bei diesem bekannten Motor werden ;ils galvanomagnetische Rotorstellungssensoren zwei magnctfeldabhängige Widerstände verwendet, die um 90" el. gegeneinander versetzt an einem Eisenrückschluß und im Bereich des Rotorfeldes angeordnet sind.

Diese magnetfeldabhangigen Widerstände bilden zusammen mit zwei Festwiderständen eine Brückenschaltung, an deren Diagonale eine rotorstellungsabhängige Spannung abgenommen werden kann. Diese Spannung wird einem bistabilen Multivibrator zugeführt, der die > drehstellungsabhängige Spannung in Rechteckimpulse umsetzt, welche ihrerseits — in Verbindung mit einem Rechenwerk und verschiedenen logischen Gliedern — dazu dienen, die Leistungsverstärker der vier Stränge anzusteuern. — Nachteilig bei dieser Anordnung ist u. a, ι <ι daß der bistabile Multivibrator schon durch kurze Störimpulse in seine andere Lage gekippt werden kann, was für das np.chgeschaltete Rechenwerk falsche Zählimpulse bedeutet und die Kommutierungsfolge durcheinanderbringt. Außerdem ist generell die Ver-Wendung rechteckförmiger Signale für die Kommutierung eines Motors ungünstig, denn bei einem Motor ist im allgemeinen ein weicher Schaltvorgang erwünscht, um zu hohe induktive Abschaltspannungen, magnetostrictive Geräusche und dergleichen zu vermeiden. :o

Aus der DE-OS 19 37 870 ist es ferner bei einem dreisträngigen kollektorlosen Gleichstrommotor bekannt, als Rotorstellungssensoren Magnetdiodenpaare zu verwenden, die ebenfalls in Brückenschaltung geschaltet sind. Man benötigt hierbei jedoch für jeden Strang ein Magnetdiodenpaar oder einen sonstigen galvanomagnetischen Sensor, d. h. eine solche Anordnung ist aufwendig und kommt daher für Massenanwendungen kaum in Frage.

Ferner ist es aus der J P 40-15 767 bei ein^m zweisträngigen zweipulsigen kollektorlosen Gleichstrommotor mit induktiver Kommutierung bekannt, das Signal einer induktiven Sensorspule — nach Verstärkung — zur direkten Steuerung des Leistungstransistors des einen Stranges zu verwenden und die Steuerelektrode des Leistungstransistors des anderen Stranges an den Kollektor des L°istungstransistors des ersten Stranges anzuschließen, um so von einer einzigen Sensorspule aus, also mit einem Einzelsignal, zwei Stränge gegenphasig zu steuern. Eine solche Anordnung eignet sich aber allenfalls für niedrige Leistungen, da die induktive Abschaltspannung des eisten Stranges hier direkt auf die Steuerelektrode des Leistungstransistors des zweiten Stranges wirkt, was zu einer sehr unregelmäßigen und insbesondere unsymmetrischen Kommutierung führen kann und den Leistungstransistor des zweiten Stranges durch Überspannungen an seiner Steuerelektrode gefährdet. Eine unsymmetrische Kommutierung führt zu Schwankungen im abgegebenen Drehmoment, was stets unerwünscht und bei vielen Anwendungen auch unzulässig ist. Außerdem ist hier, ebenso wie bei den Motoren nach den vorgenannten Schriften, keine leistungsarme Einspeisung eines Regelsignals möglich, so daß eine Strom- oder Drehzahlregelung auf der Leistungsseite vorgenommen werden muß und einen entsprechend hohen Aufwand erfordert.

Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, einen kollektorlosen Gleichstrommotor zu schaffen, bei dem — bei gutem Wirkungsgrad der Kommutierschaltung — mittels eines einzigen Rotorstellungssignals zwei Strän- t>o ge gegenphasig in gleichmäßiger Weise kommutiert werden können.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung gelöst durch die im Anspruch I angegebenen Maßnahmen. Eine solche Anordnung ist an sich unsymmetrisch, aber durch to die Verwendung des Halbleiterelements mit Schleusenspannung ergibt sich elektrisch im wesentlichen eine symmetrische Wirkung, d.h. ein gleichmäßiger Strom-

JO

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•10 fluß in beiden Statorwicklungen, weil hierdurch die Summe der Schleusenspannung dieses Halbleiterelements und der Steuerstrecke der hieran angeschlossenen Halbleiter-Steuermittel giößer wird als die Gesamtheit der Sättigungs- bzw. Schleusenspannungen des eingeschalteten Transistors und der an den Emitter dieses Transistors angeschlossenen Halbleitersteuermittel. Ein solcher Motor hat einen sehr guten Wirkungsgrad der Kommutierungsschaltung, weil dort unnötige Verluste vermieden werden, eignet sich besonders gut für Betrieb an niedrigen Gleichspannungen, und man kann in ihn bei Bedarf ein Regelsignal äußerst leistungsarm einspeisen. — Es ist zwar schon bekannt, (Siemens-Zeitschrift 1966, Seiten 690—693), bei einer Kommutierung mit Hallgeneratoren den Hallstrom durch das Regelsignal zu steuern, aber wegen des schlechten Wirkungsgrads einer solchen Anordnung wird hierbei ein hoher Ausgangsstrom des Reglers benötigt, was besonders bei batteriebetriebenen Geräten unerwünscht ist. — In den Ausführungsbeispielen sind als Rotorstellungssensoren Magnetdioden angegeben, doch können statt ihrer auch andere äquivalent wirkende Elemente angewendet werden.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen, sowie aus den Unteransprüchen. Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild zur Erläuterung der Erfindung,

F i g. 2 ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

Fig.3 ein Schaltbild einer für höhere Moiorströme bestimmten Ausführungsform der Erfindung,

Fig.4 ein Schaltbild eines mit einem Drehzahlregler versehenen kollektorlosen Gleichstrommotors nach der Erfindung,

Fig.4A eine schematische Darstellung einer zur Schaltung nach F i g. 4 passenden Motorkonstruktion,

F i g. 5 ein Schaltbild einer anderen Ausführungsform eines mit einem Drehzahlregler versehenen kollektorlosen Gleichstrommotors,

Fig. 5A eine schemalische Darstellung einer zum Schaltbild nach F i g. 5 gehörenden Motorkonstruktion, und

F i g. 6 Schaubilder zum Erläutern der Wirkungsweise der Anordnung nach F i g. 5.

Die Schaltung nach Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Gleichstrommotors. Dies kann ein zweipoliger Motor mit zwei um 180° mech. versetzten Statorwicklungen 10 und 11 sein, oder auch mit beispielsweise vier Wicklungen, wobei dann die Anordnung so verdoppelt werden muß, wie das in Fig.4 dargestellt ist. Dieser Motor hat in üblicher Weise einen in Fig. 1 nicht dargestellten permanentmagnetischen Rotor. Da diese Motorbauart im Prinzip bekannt ist, kann hierzu auf die in der Einleitung erwähnte Literaturstelle »Siemens-Zeitschrift« verwiesen werden.

Zur Steuerung der Kommutierung des Stromes zwischen den Statorwicklungen 10 und 11 ist eine Rotorstellungssensoranordnung 18 in Form von 2 Magnetdioden 12, 13 vorgesehen, welche Dioden über einen Verbindungspunkt 14 in Reihe geschaltet sind, und zwar mit magnetisch entgegengesetzter Anordnung. Die Kathode der Diode 13 ist an eine Minusleitung 15, die Anode der Diode 12 über einen Widerstand 16 an

eine Plusleitung 17 angeschlossen. Parallel zu dem Magnetdiodenpaar 18 liegt ein Widerstand 19. Die Widerstände 16 und 19 dienen dazu, die für die Magnetdioden erforderliche Spannung zu erzeugen, und sie dienen ferner zur Temperaturkompensation.

Die Rotorstellungssensoranordnung 18 ist so im Motor angeordnet, daß sie von der Induktion B des in Fig. 1 nicht dargestellten Rotors beeinflußt wird, welche Induktion bei der Drehung des Rotors ständig ihre Richtung wechselt. Dadurch ändert sich im Betrieb das Potential des Punktes 14 laufend, und zwar wird es bei der einen Richtung der Induktion positiver, bei der anderen Richtung der Induktion negativer.

Diese Potentialänderung wird einer logischen Verknüpfungsschaltung 22 zugeführt, welche in Fig. 1 nur schematisch dargestellt ist. (Die Verknüpfungsschaltung

22 wird in der Praxis stets aus elektronischen Schaltgliedern aufgebaut). Diese Verknüpfungsschaltung hat zwei antivalente, also gegenphasige Ausgänge

23 und 24, d. h. wenn der eine Ausgang ein »hohes« Ausgangssignal hat, hat der andere ein »niederes« Ausgangssignal und umgekehrt. Zweckmäßig sind die Ausgänge 23 und 24 symmetrisch. Schematisch ist dies durch einen Wechselschalter 25 dargestellt, dem über einen Widerstand 26 ein Strom von der Plusleitung 17 zugeführt wird. (Zwischen Plusleitung 17 und Minusleitung 15 kann z. B. eine Gleichspannung von 24 Volt liegen).

An den Ausgang 23 sind Halbleitersteuerrnittel 27 angeschlossen, welche in Reihe mit der Statorwicklung

10 zwischen den Leitungen 15 und 17 liegen. In gleicher Weise sind an den Ausgang 24 Halbleitersteuermittel 28 angeschlossen, welche in Reihe mit der Statorwicklung

11 zwischen der Plusleitung 17 und der Minusleitung 15 liegen.

Die beschriebene Anordnung arbeitet wie folgt:

Wenn sich der in F i g. 1 nicht dargestellte permanentmagnetische Rotor dreht, sei zunächst angenommen, daß das Potential des Punktes 14 stark positiv ist, wodurch der Schalter 25 in der dargestellten Weise eine Verbindung von der Plusleitung 17 über den Widerstand 26 zum Halbleitersteuermittel 27 herstellt, so daß letzteres leitend ist und die Statorwicklung 10 Strom erhält und auf den Rotor ein Drehmoment in der gewünschten Richtung ausübt. Dabei ist das Halbleitersteuermittel 28 gesperrt.

Ändert nun infolge der Drehbewegung des Rotors die Induktion an dem als Rotorstellungssensoranordnung dienenden Diodenpaar 18 ihre Richtung, so wird das Verknüpfungsglied 22 umgesteuert, und es wird eine Verbindung von der Plusleitung 17 über den Widerstand 26 zum Ausgang 24 hergestellt, so daß das Halbleitersteuermittel 27 sperrt und das Halbleitersteuermittel 28 leitend wird und nunmehr die Statorwicklung 11 Strom erhält und ihrerseits ein Drehmoment am Rotor erzeugt — Der beschriebene Vorgang setzt sich auf diese Weise zyklisch fort. Sind vier Statorwicklungen und zwei Magnetdiodenpaare vorhanden, so erfolgt die Kommutierung in bekannter Weise zwischen diesen vier Wicklungen, vergl. die zitierte Literaturstelle Siemens-Zeitschrift 1966, Seiten 690—693.

Zur Drehzahlregelung kann man einen gesonderten Anschluß 29 vorsehen, dem eine entsprechende Regelgröße zugeführt wird, also ein Signal, welches von dem von der Rotorstellungssensoranordnung 18 zügeführten Steuersignal unabhängig ist, um bei steigender Drehzahl die Halbleitersteuermittel 27, 28 ζ. Β. weniger stark oder während einer kürzeren Zeitspanne leitend zu machen. Eine solche Regelschaltung wird nachfolgend im Zusammenhang mit F i g. 4 beschrieben.

Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Verknüpfungsschaltung 22.

Die Statorwicklungen 10 und 11 sind hier jeweils mit ihrem einen Anschluß an die Plusleitung 17 und mit ihrem anderen Anschluß an den Kollektor eines als Halbleitersteuermittel dienenden npn-Transistors 32 bzw. 33 angeschlossen; die Emitter dieser beiden Transistoren liegen an der Minusleitung 15, und die Basis des Transistors 33 ist mit dem Ausgang 24 der Verknüpfungsschaltung 22 verbunden, während die Basis des Transistors 32 mit dem Ausgang 23 der Verknüpfungsschaltung 22 und — über einen Widerstand 34 — mit der Minusleitung 15 verbunden ist. Der Widerstand 34 dient dazu, bei gesperrtem Ausgang 23 den Transistor 32 sicher gesperrt zu halten. In gleicher Weise verbindet ein Widerstand 30 die Basis des Transistors 33 mit der Minusleitung 15.

Die Verknüpfungsschaltung 22 enthält ein Element mit Spannungsdurchbruchscharakteristik. hier eine Zenerdiode 35. deren Kathode mit dem Knotenpunkt 14 am Magnetdiodenpaar 18 und deren Anode mit der Basis eines npn-Transistors 36 sowie — über einen Widerstand 31 — mit der Minusleitung 15 verbunden ist. Der Emitter des Transistors 36 ist mit dem Ausgang 23, sein Kollektor mit dem Widerstand 26, dem Anschluß 29 und der Anode einer Diode 37 verbunden, deren Kathode an den Ausgang 24 angeschlossen ist und die als Halbleiterelement mit Schleusenspannung dient.

Die Schaltung nach Fig. 2 arbeitet nach demselben Prinzip wie diejenige nach Fig. 1. Es sei zunächst angenommen, der Punkt 14 habe ein relativ niedriges Potential (z.B. +3V rel. zum Potential Null der Minusleitung 15). Bei diesem Potential sei angenommen, daß die Zenerdiode 35 sperrt, so daß der Transistor 36 keinen Basisstrom erhält und ebenfalls sperrt, so daß auch der Transistor 32 keinen Basisstrom erhält und durch den Widerstand 34 voll gesperrt gehalten wird. — Der eingeprägte Strom vom Widerstand 26 (oder ein Regelstrom vom Eingang 29) kann bei dieser Kommutierungsstellung nur über die Diode 37 zum Transistor 33 fließen und macht diesen leitend, so daß die Statorwickiung 11 Strom erhält. Dieser Strom in der Statorwicklung 11 — und das ist ein ganz besonderer Vorzug der erfindungsgemäßen Anordnung — ist steuerbar mit Hilfe der Größe des Stromes, der dem Eingang 29 zugeführt wird, und zwar wird anders als bei Steuerung über einen Hallgenerator, dessen Steuerstrom um ein Mehrfaches größer sein muß als der von ihm gelieferte Basisstrom, dieser dem Eingang 29 zugeführte Strom voll als Basisstrom wirksam. Damit ist die Möglichkeit gegeben, den Strom in der Statorwicklung 11 kontinuierlich und mit sehr gutem Wirkungsgrad zu steuern.

Ändert sich jetzt die Richtung der Induktion B, so erhält der Knotenpunkt 14 ein positiveres Potential, z.B. +5V relativ zur Minusleitung 15, und dieses Potential ist größer als die Summe von

a) Durchbruchsspannung der Diode 35,

b) Basis-Emitter-Schleusenspannung des Transistors 36, und

c) Basis-Emitter-Schleusenspannung des Transistors 32.

Dadurch erhält der Transistor 36 einen Basisstrom, und es fließt ein Basisstrom vom Widerstand 26 (oder

vom Eingang 29) zum Transistor 32 und macht diesen leitend, so daß die Statorwicklung 10 Strom erhält, welcher ebenfalls durch den dem Eingang 29 zugeführten Strom steuerbar ist.

Wenn die Transistoren 36 und 32 leitend sind, entsteht an der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 32 eine Schleusenspannung von etwa 0,6 V, und an der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 36 entsteht eine Sättigungsspannung von etwa 0,3 V. Der Kollektor des Transistors 36 hat also ein Potential von etwa + 0,9 V rel. zur Minusleitung 15, und dieses Potential ist im wesentlichen von dem über den Anschluß 29 zugeführten Steuerstrom unabhängig.

Die Reihenschaltung der Diode 37 und der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 33 benötigt aber zum Leitendwerden eine Spannung von mindestens 1,2 V, welche sich zusammensetzt aus einer Schleusenspannung von 0,6 V für die Diode 37, und einer Schleusenspannung von 0,6 V für die Basis-Emitter-Diode des Transistors 33. Da diese Spannung aber bei leitendem Transistor 36 nicht erreicht werden kann, bleibt die Diode 37 im Sperrbereich, und der Transistor 33 wird durch den Widerstand 30 gesperrt gehalten, so daß die Statorwicklung 11 bei dieser Kommutierungsstellung stromlos ist.

Auch der Basisstrom des Transistors 32 ist also vom Eingang 29 her direkt und im wesentlichen verlustfrei steuerbar.

Die Verknüpfungsschaltung 22 nach F i g. 2 ist also außerordentlich einfach im Aufbau und ermöglicht zudem eine sehr einfache, direkte Einführung der Regelgröße zu den als Halbleitersteuermittel dienenden Transistoren 32 und 33. Sie kann mit Vorteil als integrierte Schaltung aufgebaut werden, wobei auch die Transistoren 32 und 33 ein Bestandteil des ICs sein können, so daß sich ein äußerst einfacher Aufbau ergibt. Man kann sagen, daß bei dieser Schaltung die Steuergröße, nämlich das Ausgangssignal der Rotorstellungssensoranordnung 18, nur die Schaltwege für die Regelgröße schaltet. Dadurch wird es möglich, eine Regeleinrichtung mit geringer Ausgangsleistung zu verwenden.

F i g. 3 zeigt die Anwendung der Verknüpfungsschaltung 22 nach F i g. 2 bei einem Motor mit höherer Leistung, bei dem den die Ströme in den Statorwicklungen schaltenden Transistoren Verstärkertransistoren vorgeschaltet sind.

Die Kollektoren der npn-Transistoren 32 und 33 sind hier mit den Basen von pnp-Transistoren 42 bzw. 43 und — über Widerstände 44 bzw. 45 — mit der Plusleitung 57 verbunden, an welche auch die Emitter der Leistungstransistoren 42 und 43 angeschlossen sind, während ihre Kollektoren jeweils mit dem einen Anschluß einer Statorwicklung 46 bzw. 47 verbunden sind und die anderen Anschlüsse dieser Statorwicklungen an die Minusleitung 15 angeschlossen sind.

Die Wirkungsweise der Verknüpfungsschaltung 22 in Verbindung mit den Transistoren 32 und 33 ist dieselbe, wie sie oben bei Fig.2 beschrieben wurde. Bei niedrigem Potential des Knotenpunkts 14 wird also der Transistor 33 leitend und bewirkt, daß auch der Transistor 43 leitend wird, so daß ein Strom in der Statorwicklung 47 fließt. Bei hohem Potential des Knotenpunktes 14 wird der Transistor 33 gesperrt und der Transistor 32 leitend, so daß der Transistor 42 leitend wird und die Statorwicklung 46 Strom erhält. Auch hier ist über den Eingang 29 eine Steuerung des Stromes in der gerade durch die Kommutierung angesteuerten Statorwicklung möglich, z. B. eine Ein-Aus-Steuerung, oder auch eine kontinuierliche Steuerung.

F i g. 4 zeigt eine Regelschaltung zur Regelung der Drehzahl eines erfindungsgemäßen ausgebildeten kollektorlosen Gleichstrommotors, welcher 4 um 90° el. gegeneinander versetzte, gemäß Fig.4A sternförmig geschaltete Statorwicklungen bzw. Stränge 50,51,52,53 aufweist, die jeweils paarweise gemäß der Schaltung nach Fig. 2 angesteuert werden. Aus diesem Grunde werden für diejenigen Schaltelemente, welche den Statorwicklungen 50 und 51 zugeordnet sind, dieselben Bezugszeichen verwendet wie in Fig.2, und für die Schaltelemente der Statorwicklungen 52 und 53 die um

is die Zahl 100 erhöhten Bezugszeichen nach Fig. 2, also z. B. statt 18 hier 118.

Die beiden als Rotorstellungssensoranordnungen dienenden Magnetdiodenpaare 18 und 118 sind bei dieser Anordnung, wie in F i g. 4A für einen zweipoligen Rotor R dargestellt, um 90° el. gegeneinander versetzt am Stator angeordnet, so daß der Strom, gesteuert durch diese Diodenpaare, jeweils nach 90° el. von einer Wicklung auf die nächste kommutiert wird. An die kollektorseitigen Anschlüsse der Statorwicklungen 50—53 sind die Anoden von 4 Dioden 59,60,61 bzw. 62 angeschlossen, deren Kathoden an eine Leitung 63 angeschlossen sind, an welcher man eine Gleichspannung mit überlagerter Welligkeit erhält. Diese Spannung wird einem Spannungsteiler zugeführt, welcher aus einem NTC-Widerstand 87 (zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit der remanenten Induktion des im Rotor R verwendeten Dauermagneten) und einem Potentiometer 88 besteht, welches an die Plusleitung 17 angeschlossen ist. Zwischen dem Abgriff des Potentiometers 88 und der Plusleitung 17 liegt ein Glättungskondensator 91. Ferner ist dieser Abgriff mit der Kathode einer Zenerdiode 92 verbunden, deren Anode über einen Widerstand 93 mit der Minusleitung 15 verbunden ist. Die Zenerspannung der Zenerdiode 92 ist gerade so gewählt, daß sie bei Nenndrehzahl etwa dem Gleichspannungsanteil der am Abgriff des Potentiometers 88 anliegenden Gleichspannung entspricht, so daß praktisch der Pegel dieser Gleichspannung um die Zenerspannung in negativer Richtung verschoben wird.

Die Anode der Zenerdiode 92 ist mit der Basis eines pnp-Transistors 99 verbunden, so daß an dieser Basis eine wellige Spannung anliegt. Bei Erreichen der gewünschten Drehzahl bewirken die Maxima dieser Welligkeit, daß der Transistor 99 sperrt, und die Minima

so bewirken, daß der Transistor 99 leitend wird. Der Emitter des Transistors 99 ist mit der Plusleitung 17, sein Kollektor über einen Widerstand 102 mit den Steuereingängen 29 und 129 der Verknüpfungsglieder 22 bzw. 122 verbunden. 1st der Transistor 99 leitend, so wirkt er praktisch als gesteuerte Stromquelle mit hohem Innenwiderstand und läßt einen Basisstrom zu dem gerade durch die Kommutierung vorgesehenen Transistor 32 bzw. 33 bzw. 132 bzw. 133 fließen, welche Transistoren als Halbleitersteuermittel dienen.

Auf diese Weise wird die Drehzahl auf dem gewünschten, durch die Einstellung des Abgriffs des Potentiometers 88 eingestellten Wert gehalten. — Beim Anlauf ist der Transistor 99 ständig leitend, so daß hierbei die Kommutierung des Stroms von der einen zur anderen Statorwicklung nur durch die Kommutierungsglieder 18 bzw. 118 gesteuert wird.

Bei Antrieben für niedrige Drehzahlen hat es sich als zweckmäßig erwiesen, mit dem Ausgangssignal des

Transistors 99, ggf. über einen zwischengeschalteten Verstärker 104, einen Transistor 105 zu steuern, welcher in der Zluleitung zu den vier Statorwicklungen 50—53 angeordnet ist, so daß dieser Transistor 105 allein den Strom in allen vier Wicklungen steuert. Dabei werden dann die Eingänge 29 und 129 ebenfalls anders geschaltet, und zwar werden sie auch hier miteinander verbunden, und sie werden dann über einen gemeinsamen, nicht dargestellten Widerstand direkt mit der Plusleitung 17 verbunden. In diesem Fall haben die Verknüpfungsglieder 22 und 122 nur die Funktion, zu kommutieren und einen durch den vorgeschalteten Widerstand bestimmten eingeprägten Basisstrom zum jeweils durch die Kommutierung angesteuerten HaIbleitersteuermittel zu leiten.

F i g. 5 zeigt einen Regier für einen Motor von dem Typ, wie er in F i g. 5A dargestellt ist und wie er z. B. in der DE-OS 22 25 442 dargestellt ist. Ein solcher Motor

140 (hier ein Außenläufermotor) hat auf seinem Stator

141 nur zwei Statorwicklungen 142 und 143, deren einer Anschluß jeweils an die Plusleitung 17 gelegt ist, und deren andere Anschlüsse 144 und 145 an den Kollektor des Transistors 32 bzw. 33 geführt sind, deren Schaltung mit derjenigen nach Fi g. 2 übereinstimmt, so daß auf die dortige Beschreibung verwiesen werden kann.

Der Stator 141 ist als Doppel-T-Konstruktion mit pilzförmig ausladenden Polen ausgebildet, deren Ränder fast aneinanderstoßen. Diese Pole bilden mit dem zweipoligen permanentmagnetischen Rotor 146 jeweils einen Luftspalt 147 bzw. 148, der sich in Drehrichtung (vergl. den Pfeil 149) verengt, d. h. die Statorpole verlaufen etwa sägezahnförmig. Hierdurch wird erreicht, daß im Betrieb ein unsymmetrisches Reluktanzmoment erzeugt wird, dessen positive, d. h. antreibende Anteile in den Lücken des elektromagnetischen Antriebsmoments wirksam werden.

Am Stator 141 ist, zur Spulenachse um 90° el. versetzt, das Magnetdiodenpaar angeordnet, das als Rotorstellungssensoranordnung 18 dient. Ein solcher Motor läuft selbst an und gibt ein durch seine Konstruktion vorgegebenes, im wesentlichen konstantes Drehmoment ab.

An den Punkt 144 ist die Anode einer Diode 151, an den Punkt 145 die Anode einer Diode 152 angeschlossen, deren Kathoden gemeinsam über einen NTC-Widerstand 153 und ein Potentiometer 154 mit der Plusleitung 17 verbunden sind. Zwischen dem Abgriff des Potentiometers 154 und der Plusleitung 17 liegt ein Glättungskondensator 155. Ferner ist dieser Abgriff mit der Kathode einer Zenerdiode 156 verbunden, deren Anode über einen Widerstand 157 mit der Minusleitung 15 veruundsn iSi. Die ZcncfSpäruiuiig der Diode 156 iSi so gewählt, daß sie bei Nenndrehzahl etwa dem Gleichspannungsanteil der welligen Gleichspannung am Abgriff des Potentiometers 154 entspricht, so daß praktisch durch die Diode 156 der Pegel dieser Gleichspannung um die Zenerspannung in negativer Richtung verschoben wird.

Da die Welligkeit 93 dieser Gleichspannung, wie sie in F i g. 6 in der obersten Reihe dargestellt ist, eine für die Regelung ungeeignete Phasenlage hat, wird diese Welligkeit durch einen Phasenschieber um etwa 180° in der Phase verschoben, so daß man danach eine wellige Spannung 94 erhält, wie sie in Fig.6 in der zweiten Reihe von oben dargestellt ist. Hierzu weist der Phasenschieber neben den Widerständen 153 und 154 und dem Kondensator 155 zwei weitere Widerstände 157, 158 und zwei Kondensatoren 159, 160 auf, deren Schaltung in F i g. 5 dargestellt ist. Die Widerstände 157, 158 sind in Reihe zwischen der Anode der Zenerdiode 156 und der Basis eines pnp-Transistors 163 verbunden. so daß an dieser Basis die wellige Spannung 94 (F i g. 6) anliegt. Bei Erreichen der gewünschten Drehzahl bewirken die Maxima dieser Welligkeit, daß der Transistor 163 sperrt, und die Minima bewirken, daß der Transistor 163 leitend wird. Letzteres ist in Fig. 6 z. B. zwischen den Zeitpunkten (3 und i4 der Fall. Der Emitter des Transistors 163 ist mit der Plusleitung 17, sein Kollektor mit dem Steuereingang 29 des Verknüpfungsgliedes 22 verbunden. Ist der Transistor 163 leitend, so

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WIiMCi μπ αηιΐ3ΐ~ιι aia gt^iLuti ιν; oiitjiiiiiuwiii: um uuui-iii Innenwiderstand und läßt einen Basisstrom zu dem gerade durch die Kommutierung angesteuerten Transistor 32 bzw. 33 fließen, und zwar erst nach dem jeweiligen Kommutierungszeitpunkt, also z. B. nach dem Zeitpunkt ti in F i g. 6, und dieser Strom endet vor dem nächsten Kommutierungszeitpunkt, also z. B. vor dem Zeitpunkt (5 in F i g. 6.

Z.B. ist in Fig. 6 in der dritten Reihe von oben dargestellt, daß die Rotorstellungssensoranordnung 18 zum Zeitpunkt /2 vom Transistor 33 auf den Transistor 32 kommutiert. Zu diesem Zeitpunkt Γ2 ist aber der Transistor 33 bereits gesperrt (vergl. den Strom /33 in F i g. 6), und der Transistor 32 ist noch nicht leitend, da er vom Transistor 163 noch keinen Basisstrom erhält. Dieser Basisstrom setzt, wie in Fig. 6 dargestellt, erst zum Zeitpunkt f3 ein und hört bei U wieder auf, also vor dem Kommutierungszeitpunkt fs. Wird die Drehzahl zu hoch, so werden die Stromimpulse in und /33 kurzer und kleiner; wird die Drehzahl dagegen zu niedrig, so werden sie länger und stärken Auf diese Weise wird die Drehzahl auf dem gewünschten, durch die Einstellung des Abgriffs des Potentiometers 154 eingestellten Wert gehalten. — Beim Anlauf ist der Transistor 163 ständig leitend, so daß hierbei die Kommutierung des Stromes von der einen zur anderen Wicklung nur durch die Rotorstellungssensoranordnung 18 gesteuert wird. Unter der Voraussetzung eines sehr steilen Stromanstiegs ergeben sich in diesem Fall die Stromkurven 165 (für den Transistor 33) und 166 (für den Transistor 32), welche in Fig.6 mit strichpunktierten Linien eingetragen sind.

Der in Fig. 5 dargestellten Regelschaltung liegt also das allgemeine Prinzip zugrunde, aus der welligen Gleichspannung 93 (Fig.6) eine wellige Spannung 94 (Fig.6) abzuleiten, deren Minima jeweils mindestens r-ähc£ü mii den optimalen Einschaltperioden der einzelnen Motorwicklungen zusammenfallen, um so einen ruhigen Motorlauf bei ^.'tem Wirkungsgrad zu erreichen, wobei man die Mir.ima der Spannung 94 zweckmäßig so legt, daß sie symmetrisch zwischen den Kommutierungszeitpunkten, z. B. den Zeitpunkten ft und ti in F i g. 6, liegen.

Zur Erzielung der richtigen Phasenlage der welligen Spannung 94 (F i g. 6) kann man selbstverständlich auch andere Mittel verwenden, z. B. eine Inversion, welche ebenfalls praktisch einer Phasendrehung um 180° entspricht, sofern die invertierte Spannung etwa sinusförmig ist. Hierzu kann ein Umkehrverstärker verwendet werden.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Kollektorloser Gleichstrommotor, mit einem permanentmagnetischen Rotor (R; 146)

und mit mindestens einer von diesem Rotor gesteuerten galvanomagnetischen Rotorstellungssensoranordnung (18,118), welche ein einzelnes von der Rotorstellung abhängiges Ausgangssignal erzeugt, das dazu dient, den Strom in zwei dieser Rotorstellungssensoranordnung (18, 118) zugeordneten Statorwicklungen (10, 11; 4*, 47) über entsprechende Halbleitersteuermittel (32, 33; 132, 133) alternierend aus- und einzuschalten, dadurch gekennzeichnet.

daß das Ausgangssignal der galvanomagnetischen Rotorstellungssensoranordnung (18, 118) der Basis eines Transistors (36) zufühi bar ist,
daß die Halbleitersteuermittel (32, 44) der einen Statorwicklung (10; 46) an den Emitter dieses Transistors (36) und die Halbleitersteuermittel (33, 43) der anderen Statorwicklung (11; 47) über ein eine Schleusenspannung aufweisendes Halbleiterelement (37) an den Kollektor dieses Transistors (36) angeschlossen sind, und daß dem Kollektor dieses Transistors (36) entweder ein eingeprägter Strom (Widerstand 26) oder ein Steuer- oder Regelsignal (29) zuführbar ist.

2. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement (37) mit Schleusenspannung eine Diode aufweist.

3. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (36), die an seinen Emitter angeschlossene Halbleitersteuermittel (32), das an den Kollektor dieses Transistors (36) angeschlossene Halbleiterelement (37) mit Schleusenspannung, und das an dieses Halbleiterelement (37) angeschlossene Halbleitersteuermittel (33) als integrierte Schaltung aufgebaut sind.

4. Kollektorloser Gleichstrommotor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Pegelverschiebung zwischen dem Signalausgang (14) der Rotorstellungssensoranordnung (12,13) und dem Eingang des Transistors (36) ein Element (35) mit Spannungsdurchbruchscharakteristik, insbesondere eine Zenerdiode, vorgesehen ist.

5. Kollektorloser Gleichstrommotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Regelsignals bei einem zweipulsigen Motor die in mindestens einem Teil der Statorwicklungen (142, 143) durch den Permanentmagneten (146) des Rotors induzierten Spannungen in Form einer Gleichspannung mit überlagerter, eine drehzahlproportionale Frequenz aufweisender Welligkeit (93) abgenommen werden, und daß aus dieser welligen Gleichspannung eine wellige Spannung (94) abgeleitet und einer Regeleinrichtung (99; 163) zugeführt wird, an deren Ausgang f>o der Kollektor des Transistors (36) angeschlossen ist, bei welcher welligen Spannung (94) Minima jeweils mindestens nahezu mit den optimalen Einschaltperioden (I₁- f₄, t_b— f₇) der beiden Statorwicklungen zusammenfallen. μ

6. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Steuern der Ströme in den beiden Statorwicklungen (142, 143) dienenden Minima jeweils ungefähr symmetrisch zwischen den KommuMerungszeitpunkten (ti, /5) liegen (F i g. 6).

7. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzielen einer richtigen Phasenlage der Minima relativ zu den Kommutierungszeitpunkten eine Phasenschieberschaltung (153—155, 157—160) vorgesehen ist.

8. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzielen einer richtigen Phasenlage der Minima relativ zu den Kommutierungszeitpunkten eine Umkehrstufe vorgesehen ist.

9. Kollektorloser Gleichstrommotor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er als zweipulsiger kollektorloser Gleichstrommotor (Fig.2, 3. 5) ausgebildet ist.

10. Kollektorloser Oeichstrommotor nach mindestens einem der Ansprüche 1—8, dadurch gekennzeichnet, daß er als vierpulsiger kollektorloser Gleichstrommotor (F i g. 4) ausgebildet ist.