DE2339260C2 - Brushless DC motor - Google Patents
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Description
— in dem als Steuerwicklung (13; 96,97; 123) ausgebildeten aktiven Rotorstellungsgeber eine, gegenüber der in der Antriebs-Statorwicklung induzierten, um ungefähr 90° phasenverschobene Spannung induziert wird,- In the active rotor position transmitter designed as a control winding (13; 96,97; 123) a voltage is induced which is phase-shifted by approximately 90 ° compared to the voltage induced in the drive stator winding,
— diese Spannung einem Integrierglied (44; 85,86; 144; 170) zugeführt wird, welches seinerseits mit dem Halbleiterelement (40,41; 143; 189) zusammenwirkt und- This voltage is fed to an integrating element (44; 85, 86; 144; 170) which in turn interacts with the semiconductor element (40, 41; 143; 189) and
— beim Einschaltvorgang eine Statorwicklung über das Integrierglied (44; 85,86; 144; 170) mit Strom angesteuert wird.- During the switch-on process, a stator winding is controlled with current via the integrating element (44; 85, 86; 144; 170).
2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Steuerwicklung (13; 96, 97; 123) induzierte Spannung um 70 bis 110° gegenüber der in der Antriebs-Statorwicklung induzierten Spannung phasenverschoben ist.2. Motor according to claim 1, characterized in that the voltage induced in the control winding (13; 96, 97; 123) is phase shifted by 70 to 110 ° with respect to the voltage induced in the drive stator winding.
3. Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erzeugen einer definierten Startstellung des Rotors mindestens einen am Stator (10) angeordneten, mit dem Rotor (31; 101) zusammenwirkenden Dauermagneten (30; 126, 127) aufweisen.3. Motor according to claim 1 or 2, characterized in that the means for generating a defined starting position of the rotor have at least one permanent magnet (30; 126, 127) arranged on the stator (10) and cooperating with the rotor (31; 101) .
4. Motor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zum mindestens einen Dauermagneten (126, 127) auch noch mindestens ein Weicheisenteil (133,133') am Stator vorgesehen ist.4. Motor according to claim 3, characterized in that in addition to at least one permanent magnet (126, 127) and at least one soft iron part (133, 133 ') is provided on the stator.
5. Motor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Dauermagnet (30; 126, 127) um η χ 180° el. relativ zu einer Antriebs-Statorwicklung versetzt ist, wobei η = 0,1, 2... ist.5. Motor according to claim 3 or 4, characterized in that the at least one permanent magnet (30; 126, 127) is offset by η χ 180 ° el. Relative to a drive stator winding, where η = 0.1, 2 .. . is.
6. Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Wirkung des Dauermagneten (30; 126, 127) unterstützte Antriebs-Statorwicklung eine verringerte An^rewindungszahl aufweist.6. Motor according to claim 5, characterized in that the drive stator winding supported by the action of the permanent magnet (30; 126, 127) has a reduced number of turns.
7. Motor nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der am Stator (110) vorgesehene mindestens eine Dauermagnet (126, 127) anstelle einer Statorwicklung vorgesehen ist (Fig. 1 I). 7. Motor according to one of claims 3 to 6, characterized in that the at least one permanent magnet (126, 127) provided on the stator (110) is provided instead of a stator winding (Fig. 1 I).
8. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines Startimpulses bei einem Motor mit aktivem Integrator (!44) Schaltmittel (147, 151) vorgesehen sind, welche diesem Integrator beim Einschalten des Motors einen Impuls zuführen (Fi g. 11).8. Motor according to one of the preceding claims, characterized in that for generating a start pulse in a motor with an active integrator (! 44) switching means (147, 151) are provided which feed this integrator a pulse when the motor is switched on (Fi g. 11).
9. Motor nach Anspruch 8. dadurch gekennzeichnet, daß bei einem als Miller-Integrator ausgebildeten aktiven Integrator (144) ein Widerstand (151) vorgesehen ist, über den beim Einschalten des Motors dem Kondensator (146) des Miller-Integrators ein Ladestrom zuführbar ist (F i g. 11).9. Motor according to claim 8, characterized in that in the case of an active integrator (144) designed as a Miller integrator, a resistor (151) is provided, via which a charging current can be fed to the capacitor (146) of the Miller integrator when the motor is switched on (Fig. 11).
10. Motor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem zwischen Kollektor und Basis eines Transistors (145) angeordneten Kondensator (146) des Miller-Integrators (144) ein Widerstand (147) parallel geschaltet ist (F i g. 11).10. Motor according to claim 9, characterized in that the capacitor (146) of the Miller integrator (144) arranged between the collector and base of a transistor (145) , a resistor (147) is connected in parallel (Fig. 11).
11. Motor nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß dem aktiven Integrator (144) ein Kondensator (166) als Energiespeicher zugeordnet ist, welcher über eine Diode (164) aus dem Gleichstromnetz (42,43) dies Motors aufladbar ist und der nach dem Abschalten des Motors während dessen Auslautzeit eine für den Betrieb des Integrators (144) erforderliche Spannung aufrecht erhält.11. Motor according to one of claims 8 to 10, characterized in that the active integrator (144) is assigned a capacitor (166) as an energy store, which via a diode (164) from the direct current network (42, 43) this motor can be charged and which, after the motor has been switched off, maintains a voltage necessary for the operation of the integrator (144) during its idle time.
12. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Startimpulses bei einem Motor mit passivem Integrator (44; 170) ein Kondensator (58; 178) vorgesehen ist, welcher beim Einschalten des Motors mit einem Ladekieis verbindbar ist und dessen Ladestrom einen Einschaltimpuls für eine Stromzufuhr zu mindestens einer Antriebs-Statorwicklung (12; 142) bewirkt.12. Motor according to one of claims 1 to 7, characterized in that a capacitor (58; 178) is provided for generating the start pulse in a motor with a passive integrator (44; 170) which can be connected to a charging circuit when the motor is switched on and the charging current of which causes a switch-on pulse for a current supply to at least one drive stator winding (12; 142) .
13. Motor nach Anspruch 112, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung des passiven Integrators (44; 170) einem Verstärkungsglied (54, 57; 173) zuführbar ist.13. Motor according to claim 112, characterized in that the output voltage of the passive integrator (44; 170 ) can be fed to an amplifying element (54, 57; 173).
14. Motor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsglied als Operationsverstärker (173) ausgebildet ist (F i g. 12).14. Motor according to claim 13, characterized in that the gain element is designed as an operational amplifier (173) (F i g. 12).
15. Motor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsglied als Differenzverstärker (54,57) ausgebildet ist, dessen beiden Eingängen die Ausgangsspannung des passiven Integrators (44) gegenphasig zuführbar ist und an dessen beide Ausgänge, gegebenenfalls über Verstärker, je eine Antriebs-Statorwicklung (11, 12; 115, 116) angeschlossen ist.15. Motor according to claim 13, characterized in that the gain element is designed as a differential amplifier (54, 57) , the two inputs of which the output voltage of the passive integrator (44) can be fed in phase opposition and at the two outputs of which, if necessary via amplifier, one drive each -Stator winding (11, 12; 115, 116) is connected.
16. Motor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Antriebs-Statorwicklungen (11, 12; 115, 116) um (180° + π χ 360°) elektrisch gegeneinander versetzt sind, wobei η = 0,1,2... ist.16. Motor according to claim 15, characterized in that the two drive stator windings (11, 12; 115, 116) are electrically offset from one another by (180 ° + π χ 360 °), where η = 0.1.2 .. . is.
17. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine bei eingeschaltetem, nicht laufendem Motor wirksame Anlaßwiederholschaltung (80, 82, 83) vorgesehen ist (F i g. 5), die einen Kondensator (82) mit einem Ladekreis (80,70,72) aufweist, welch letzterer an eine von der Drehzahl des Motors abhängige Spannung angeschlossen ist, wobei die Ladespannung dieses Kondensators (82) die Anlaßwiederholung steuert (F ig. 5).17. Motor according to one of the preceding claims, characterized in that a restarting circuit (80, 82, 83) which is effective when the motor is switched on and not running is provided (FIG. 5) which has a capacitor (82) with a charging circuit (80 , 70, 72) , which the latter is connected to a voltage dependent on the speed of the motor, the charging voltage of this capacitor (82) controlling the repetition of starting (FIG. 5).
18. Motor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß an den Kondensator (82) ein spannungsabhängiger, vorzugsweise eine Strom-Mitkopplung aufweisender Entladekreis angeschlossen18. Motor according to claim 17, characterized in that that on the capacitor (82) a voltage-dependent, preferably a current positive feedback having discharge circuit connected
131, W V, IV, 1IV* 1 LS\~11II UVIlVllUn V, I UVII Vinvii nui !.bit, ui.i Anlaufbefehl wirksamen Stromimpuls in einer Antriebs-Statorwicklung (12) bewirkt. 131, WV, IV, 1IV * 1 LS \ ~ 11II UVIlVllUn V, I UVII Vinvii nui! .Bit, ui.i start command causes an effective current pulse in a drive stator winding (12).
Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen Gleich-The invention relates to a brushless equal
strommotor der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen ArtElectricity motor in the preamble of claim 1 specified type
Kollclctorlosc Gleichstrommotoren benötigen zur Kommutierung des in den Wicklungen fließenden Stromes Fühlelemente, welche der Kommutierungseinrichtung die Stellung des Läufers melden, damit der Strom jeweils in der richtigen Wicklung fließt und ein Drehmoment in der gewünschten Richtung erzeugt wird. Als Fühlelemente eignen sich insbesondere berührungslose Einrichtungen wie Hallgeneratoren, Magnetdioden usw, die p: aktisch keinem Verschleiß unterworfen sind und dadurch eine sehr große Lebensdauer solcher Motoren bei gutem Wirkungsgrad ermöglichen.Kollclctorlosc DC motors need to commutate the current flowing in the windings Sensing elements that report the position of the rotor to the commutation device, so that the current in each case flows in the correct winding and a torque is generated in the desired direction. Contactless sensors are particularly suitable as sensing elements Devices such as Hall generators, magnetic diodes, etc., which are not actually subject to wear and tear and thereby enable a very long service life of such motors with good efficiency.
Das einfachste und oft auch billigste Fühlelement ist eine Wicklung im Stator, in welcher von den Polen des Rotors eine Wechselspannung induziert wird, welche zur Steuerung der Kommutierung des Ankerstroms dienen kann. Da es sich dabei im Prinzip um einen sogenannten aktiven Stellungsgeber handelt, der seine Energie direkt dem Meßobjekt entzieht, versagt dieses Prinzip im Stillstand des Motors, d.h. ein solcher Motor kann erst dann durch eine in dieser Wicklung induzierte Spannung kommutiert werden, wenn sich der Rotor bereits dreht.The simplest and often cheapest sensing element is a winding in the stator, in which the poles of the An alternating voltage is induced in the rotor, which is used to control the commutation of the armature current can. Since it is in principle a so-called active position transmitter that uses its energy withdrawn directly from the test object, this principle fails when the motor, i.e. such a motor, is at a standstill can only be commutated by a voltage induced in this winding when the rotor is already moving turns.
Es sind verschiedene Anordnungen bekannt geworden, die diese Schwierigkeiten umgehen sollen:Various arrangements have become known to avoid these difficulties:
Bei einer Anordnung (US 30 25 443 oder 27 53 501) benutzt man während des Anlaufs einen mechanischen Hilfs-Kommutator oder ein Kontaktsystem, welches nach erfolgtem Hochlauf außer Betrieb gesetzt wird. Die Nachteile solcher Anordnungen sind der zusätzliche Aufwand und die grundsätzlichen Nachteile der mechanischen Kontakte.In one arrangement (US 30 25 443 or 27 53 501), a mechanical one is used during start-up Auxiliary commutator or a contact system which is put out of operation after a successful run-up. The disadvantages of such arrangements are additional Effort and the basic disadvantages of mechanical contacts.
Bei einer anderen bekannten Anordnung (US 30 67 370) ist ein besonderer Elektro-Magnet vorgesehen, mittels dessen der Motor über eine Fliehkraftkupplung angeworfen wird. Auch eine solche Anordnung ist sehr aufwendig und naturgemäß auch störanfällig.In another known arrangement (US 30 67 370) a special electro-magnet is provided, by means of which the engine is started via a centrifugal clutch. Such an arrangement is also very complex and naturally also prone to failure.
Bei einer weiteren bekannten Anordnung (US 28 10 843) läßt man den Motor als Synchron-Motor anlaufen, indem man die Kommutierungsschaltung als selbslschwingenden Oszillator ausbildet. Der in vielen Fällen schwerwiegende Nachteil dieses Prinzips besteht darin, daß der Motor nur sehr kleine zusätzliche Schwungmassen in Bewegung setzen kann, da er bei größeren Massen nicht in Tritt fällt, also die Betriebszahl nicht erreicht und somit kein regelmäßiger Lauf zustandekommt.In another known arrangement (US 28 10 843) the motor is started as a synchronous motor, by designing the commutation circuit as a self-oscillating oscillator. The one in many Cases serious disadvantage of this principle is that the motor only has very small additional Can set centrifugal masses in motion, because with larger masses it does not fall into step, i.e. does not reach the operating number and thus no regular run comes about.
Bei Motoren, bei welchen die Startstellung des Rotors durch einen am Stator angeordneten Dauermagneten definiert ist (US 31 35 842, F i g. 4), ist es auch bekannt, durch einen beim Einschalten bewirkten Stromimpuls in der beim Anlaufen als erstes einzuschaltenden Wicklung dem Motor einen Startimpuls zu erteilen. Der Nachteil hierbei ist aber, daß ein solcher Motor nur Lasten mit kleinen Trägheitsmomenten, zum Beispiel Uhren oder dergleichen, antreiben kann, da Voraussetzung für die Wirksamkeit einer solchen Anordnung ist, daß der Motor sehr rasch hochläuft. Man kann nämlich die Windungszahl der zur Kommutierung dienenden Wicklung bei solchen Anordni'^gen nicht 7.11 groß wählen, da sonst im Betrieb in dieser Wicklung zu hohe Spannungen auftreten würden, welche die zur Steuerung des Stromes im Motor dienenden Halbleiterelemente zerstören wurden. Bei kleinen Drehzahlen ist deshalb die induzierte Spannung in dieser Wicklung zu klein für die Kommutierung, und ein solcher Motor kann deshalb nur hochlaufen, wenn er diese niedrigen Drehzahlbereiche sozusagen im ersten Anlauf überwindet. Hierzu ist aber Voraussetzung, daß die zu beschleunigenden Massen sehr gering sind.In motors in which the starting position of the rotor is controlled by a permanent magnet arranged on the stator is defined (US 31 35 842, Fig. 4), it is also known by a current pulse caused when switching on in to give the motor a start pulse to the winding to be switched on first when it starts up. Of the The disadvantage here is that such a motor only loads with small moments of inertia, for example Clocks or the like, as a prerequisite for the effectiveness of such an arrangement is that the engine starts up very quickly. You can namely the number of turns used for commutation In such arrangements, do not choose a winding of 7.11, otherwise voltages that are too high would occur in this winding during operation, which are necessary for the control of the current in the motor were used to destroy semiconductor elements. At low speeds it is therefore the induced voltage in this winding is too small for the commutation, and such a motor can therefore only run up if it overcomes these low speed ranges, so to speak, in the first attempt. A prerequisite for this, however, is that the masses to be accelerated are very small.
Die Eingangs erwähnten Motoren mit Kommutierung durch Halbleiterelemente haben zwar diese Nachteile nicht, das heißt bei ihnen wird schon vom Stillstand ab ein Drehmoment erzeugt so daß diese Motoren selbst und auch in der richtigen Richtung anlaufen. Die bekannten, hierfür verwendbaren Haibleitereleroente arbeiten aber nur bei relativ niedrigen Temperaturen. So ist zum Beispiel bei den bekannten Hallgeneratoren aus Galliumarsenid die Betriebstemperatur auf 65° C begrenzt was in vielen Fällen nicht ausreicht Zum Beispiel können im Inneren eines Kraftfahrzeugs im Sommer Temperaturen von über 9O0C auftreten, und desha'b müssen alle Teile, die für die Verwendung in Kraftfahrzeugen bestimmt sind, bei Temperaturen in diesem Bereich noch sicher funktionieren. Mit Hallgeneratoren ist diese Forderung aber nicht erfüllbar. Dasselbe gilt für Lüfter, welche beispielsweise zur Kühlung von Datenverarbeitungsanlagen verwendet werden. Auch hier wird verlangt, daß diese Lüfter bei einer Umgebungstemperatur von 85° C sicher laufen. Da sich die Lüfter im Betrieb durch die elektrischen Verluste über die Umgebungstemperatur hinaus erwärmen, bedeutet dies, daß sie bei Temperaturen im Bereich von 110—120°C noch sicher funktionieren müssen. Motoren mit Kommutierung durch eine in einer Statorwicklung induzierte Spannung können diese Forderungen an die Temperaturfestigkeit ohne weiteres erfüllen, haben aber die eingangs erwähnten Nachteile.The motors mentioned at the beginning with commutation by semiconductor elements do not have these disadvantages, that is, a torque is generated with them from standstill so that these motors start themselves and also in the correct direction. The known, for this purpose usable semiconductors work only at relatively low temperatures. For example, in the known Hall generators of gallium arsenide, the operating temperature is limited to 65 ° C which in many cases is not sufficient For example, occur in the interior of a motor vehicle in summer temperatures of over 9O 0 C, and desha'b have all the parts for intended to be used in motor vehicles to function safely at temperatures in this range. However, this requirement cannot be met with Hall generators. The same applies to fans, which are used, for example, to cool data processing systems. Here, too, it is required that these fans run safely at an ambient temperature of 85 ° C. Since the fans heat up beyond the ambient temperature during operation due to electrical losses, this means that they must still function reliably at temperatures in the range of 110-120 ° C. Motors with commutation by a voltage induced in a stator winding can easily meet these requirements for temperature stability, but have the disadvantages mentioned at the beginning.
Man hat deshalb auch schon die Kombination beider Prinzipien vorgeschlagen, also Anlauf mit Hallgenerator und Betrieb mittels induzierter Spannung, vgl. die DE-OS 20 63 351. Sieht man einmal davon ab, daß solche Motoren für die meisten Anwendungsfälle zu teuer werden, so erkennt man jedenfalls ohne weiteres, daß ein solcher Motor, wenn er im Betrieb einmal Temperaturen über 650C erreicht hat, nach einer Abschaltung nicht mehr selbst anlaufen kann, bevor er sich genügend abgekühlt hat. Ein solches Betriebsverhalten eines Motors ist aber in den meisten Fällen nicht zulässig.A combination of both principles has therefore already been proposed, i.e. start-up with a Hall generator and operation by means of induced voltage, see DE-OS 20 63 351. If one ignores the fact that such motors are too expensive for most applications, one recognizes In any case, it is easy to see that such a motor, once it has reached temperatures above 65 ° C. during operation, can no longer start itself after it has been switched off before it has cooled down sufficiently. Such an operating behavior of an engine is, however, not permissible in most cases.
Schließlich ist aus der, dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zugrunde liegenden FR 15 31 531 ein kollektorloser Gleichstrommotor bekannt, der einen gehäusefesten Dauermagneten zum Erzeugen einer Startstellung aufweist. Darüber hinaus ist eine spezielle Anlaufwicklung vorgesehen, die beim Einschalten des Motorstromkreises durch kurzfristiges Schließen eines ihr zugeordneten Schalters einen Stromimpuls über einen Kondensator erhält und dadurch den Motoranlauf bewirkt. Die hier getroffene Maßnahme zur Sicherstellung des Anlaufs ist jedoch recht aufwendig. Außerdem erzeugt der hier vorgesehene Dauermagnet bei laufendem Motor ein störendes Wechselmoment.Finally, FR 15 31 531 on which the preamble of claim 1 is based is a collectorless one DC motor known, which has a permanent magnet fixed to the housing for generating a starting position having. In addition, a special start-up winding is provided for when the motor circuit is switched on by briefly closing a switch assigned to it, a current pulse via a Capacitor and thereby causes the motor to start. The measure taken here to ensure However, the start-up is quite time-consuming. In addition, the permanent magnet provided here generates when it is running Motor a disturbing alternating torque.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben erläuterten Nachteile zu vermeiden und auf einfache Weise ohne besondere Zusatzeinrichtungen einen gattungsgemäßen Motor erhöhter Anlaufsicherheit zu schaffen, dessen Kommutiereinrichtung auch eine größere Temperaturunabhängigkeit ermöglicht und damit eine bessere Ausnutzung der Temperaturfestigkeit moderner Isolierwerkstoffe gestattet. Ferner soll ein solche· kollektorloser Gleichstrommotor auch einen Anlauf mit relativ großen anzutreibenden tragen Massen ermöglichen.The invention is based on the object of avoiding the disadvantages explained above and in a simple manner Assign a generic motor to increased start-up reliability without special additional equipment create whose commutation device also enables greater temperature independence and thus better utilization of the temperature resistance of modern insulation materials. Furthermore, such a Brushless DC motor also has a start-up with relatively large masses to be driven enable.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenenThis object is achieved according to the invention by what is stated in the characterizing part of claim 1
Merkmale gelöst.Features solved.
Die vorliegende Erfindung geht dabei von folgender Überlegung aus:The present invention is based on the following consideration:
Für die Steuerung der Kommutierung ist bekanntlich die Kenntnis der momentanen Stellung der Läuferpole relativ zum Stator, das heißt, die Kenntnis der Richtung der magnetischen Erreger-Induktion erforderlich. Die oben geschilderte Schwierigkeit beim Anlauf eines Motors dieser Art (mit Kommutierung durch eine in einer Statorwicklung induzierte Spannung) entsteht durch die Tatsache, daß die in einer Ankerwicklung induzierte Spannung nicht dem Erregerfluß Φ, sondern dessen zeitlicher Änderung proportional ist, also dessen Ableitung nach der Zeit entsprichtAs is known, to control the commutation, it is necessary to know the instantaneous position of the rotor poles relative to the stator, that is, to know the direction of the magnetic exciter induction. The difficulty described above when starting a motor of this type (with commutation by a voltage induced in a stator winding) arises from the fact that the voltage induced in an armature winding is not proportional to the excitation flux Φ, but its change over time, i.e. its derivation according to the Time corresponds
15 Uind ■ 15 hours ■
Diese prinzipbedingte Differentiation läßt sich nach der vorliegenden Erfindung durch eine anschließende Integration, die zweckmäßig auf elektronischem Wege erfolgt, wieder rückgängig machen, denn es giltAccording to the present invention, this principle-related differentiation can be achieved by a subsequent integration, which is expediently carried out electronically, because it applies
dt + C = kdt + C = k
,dt + C., German + C.
2525th
Gibt man einem solchen Motor beim Anlauf eine beliebige Integrationskonstante C^O vor, so bedeutet dies elektrisch, daß beim Einschalten ein Strom in mindestens einer Antriebswicklung fließt und den Motor in Bewegung versetzt. Schon sehr geringe Drehzahlen genügen dann bei geeigneter Auslegung, um ein Signal am Ausgang des Integrierglieds zu erzeugen, welches Signal dem Fluß Φ proportional ist, also die Richtung der magnetischen Erreger-Induktion angibt. War die Anfangsbedingung der beim Start vorhandenen Rotorstellung nicht angemessen, so kann dies bedeuten, daß der Motor zunächst in der falschen Richtung anzulaufen versucht. Hierdurch wird aber sofort das Integrierglied wirksam, dessen Ausgangssignal unabhängig von der Drehrichtung Richtung und Größe des Erregerflusses Φ angibt, so daß dann das Integrierglied praktisch genau so wirkt wie zum Beispiel ein Hallgenerator, das heißt, der Motor wird sofort umgesteuert und läuft in der richtigen Drehrichtung hoch. Da das Ausgangssignal des Integriergliedes dem Erregerfluß Φ proportional ist, ist seine Amplitude praktisch unabhängig von der Drehzahl, so daß sich eine solche Anordnung gleichermaßen für hohe und für niedrige Drehzahlen eignet. Da das inicgrierglied .Speichereigenschaften hat, kann es selbst vt einen in falscher Richtung iingela'ifencn Motor in die richtige Richtung umsteuern.If an arbitrary integration constant C ^ O is given to such a motor at start-up, this electrically means that a current flows in at least one drive winding when it is switched on and sets the motor in motion. With a suitable design, even very low speeds are sufficient to generate a signal at the output of the integrator, which signal is proportional to the flux Φ , that is to say indicates the direction of the magnetic exciter induction. If the initial condition of the rotor position at the start was not appropriate, this can mean that the motor initially tries to start in the wrong direction. As a result, however, the integrating element becomes effective immediately, the output signal of which indicates the direction and magnitude of the excitation flow Φ independently of the direction of rotation, so that the integrating element then works practically exactly like a Hall generator, for example, i.e. the motor is immediately reversed and runs in the correct direction Direction of rotation high. Since the output signal of the integrator is proportional to the excitation flux Φ , its amplitude is practically independent of the speed, so that such an arrangement is equally suitable for high and low speeds. Since the inicgrierglied .Speichereigenschaften has, it can even vt a iingela'ifencn in the wrong direction motor in the right direction to change direction.
Besonders vorteilhaft ist es naturgemäß, beim Anlaufen sogleich die richtige Integralionskonsiantc für diejenige Rotorstellung vorzugeben, in der sich der Rotor gerade befindet. Dies bedeutet praktisch, daß beim Einschalten eine oder mehrere dieser Rotorstcllung adäquate Wicklungen Strom zugeführt erhalten, wodurch der Motor immer in der richtigen Richtung startet Dies kann man zweckmäßig dadurch erreichen, daß der Motor in an sich bekannter Weise Mittel zum Erzeugen einer definierten Startstellung seines Rotors relativ zum Stator aufweist, wozu zweckmäßig in an sich bekannter Weise am Stator ein mit dem Rotor zusammenwirkender Permanentmagnet vorgesehen wird.It is of course particularly advantageous when starting up Immediately to specify the correct integral consistency for the rotor position in which the rotor is located is currently located. In practice, this means that one or more of these rotor positions are adequate when switched on Windings receive power, which means that the motor always starts in the correct direction can be achieved expediently in that the motor in a known manner means for generating has a defined starting position of its rotor relative to the stator, for which purpose it is expedient in known per se Way, a permanent magnet cooperating with the rotor is provided on the stator.
In besonders vorteilhafter Weise geht man hierbei so vor, daß am Stator Weicheisenteile und mindestens ein Permanentmagnet vorgesehen sind, welche zusammen die Startstellung des Rotors definieren und daß der mindestens eine am Stator vorgesehene Permanentmagnet um π · 180°C elektrisch relativ zu einer zugeordneten Antriebsstatorwicklung versetzt ist, wobei η = 0, 1,2, ... etc. ist. Dabei wird der magnetische Widerstand des Eisenkreises über dem Drehweg zweckmäßig in der Weise variabel gemacht, daß an bestimmten Bereichen der Rotorumdrehung ein antreibendes Moment vorgegebener Größe zur Verfügung steht.A particularly advantageous procedure is that soft iron parts and at least one permanent magnet are provided on the stator, which together define the starting position of the rotor and that the at least one permanent magnet provided on the stator is electrically offset by π · 180 ° C relative to an associated drive stator winding where η = 0, 1,2, ... etc. The magnetic resistance of the iron circle is expediently made variable over the path of rotation in such a way that a driving torque of a predetermined magnitude is available at certain areas of the rotor rotation.
Nach einem weiteren, sehr vorteilhaften Merkmal der Erfindung geht man hierzu ferner so vor, daß die durch die Wirkung des Permanentmagneten unterstützte Statorwicklung eine verringerte Amperewindungszahl aufweist und im Betrieb vorzugsweise ein Drehmoment erzeugt, welches ständig kleiner ist als das vom Motor abzugebende Moment. Man erhält auf diese Weise sowohl die gewünschte Startstellung wie auch einen günstigen Verlauf des vom Motor abgegebenen Moments. Eine besonders einfache und preiswerte Lösung ergibt sich ferner dadurch, daß der am Stator vorgesehene Permanentmagnet anstelle einer Statorwicklung vorgesehen istAccording to a further, very advantageous feature of the invention, this is also done in such a way that the through the effect of the permanent magnet assisted stator winding has a reduced number of ampere-turns and, during operation, preferably generates a torque which is constantly smaller than that of the motor moment to be given. In this way, both the desired starting position and a favorable one are obtained Course of the torque delivered by the engine. A particularly simple and inexpensive solution results further characterized in that the permanent magnet provided on the stator is provided instead of a stator winding is
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen. Es zeigtFurther details of the invention emerge from those described below and in the drawing illustrated embodiments. It shows
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen kollektorlosen Gleichstrommotors, der bei diesem Ausführungsbeispiel als Motor mit flachem Luftspalt ausgebildet ist, gesehen längs der Linie I-l der F i g. 2, zusammen mit der zugehörigen Schaltung,Fig. 1 shows a first embodiment of a brushless DC motor according to the invention, the in this embodiment is designed as a motor with a flat air gap, seen along the line I-l of the F i g. 2, together with the associated circuit,
Fig.2 einen Schnitt durch den Motor nach Fig. 1, gesehen längs der Linie H-II der Fig. 1,2 shows a section through the engine according to FIG. 1, seen along the line H-II of Fig. 1,
Fig. 3 einen Schnitt, gesehen längs der Linie 11 I-l 11 der F ig. 1,3 shows a section, seen along the line 11 I-I 11 the fig. 1,
F i g. 4 Schaubilder zum Erläutern der Wirkungsweise des in den F i g. 1 —3 dargestellten Motors,F i g. 4 diagrams to explain the mode of operation of the FIG. 1 - 3 engine shown,
Fig.5 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltung, bei welcher nur die Wicklungen des zugehörigen Motors dargestellt sind,5 shows a second embodiment of an inventive Circuit in which only the windings of the associated motor are shown,
Fig.6 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen kollektorlosen Gleichstrommotors,6 shows a third embodiment of an inventive brushless DC motor,
F i g. 7 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen kollektorlosen Gleichstrom-Motor nach einem vierten Ausführunesbeispiel der Erfindung, gesehen längs der Linie VII-VII der>ig. 8,F i g. 7 shows a section through a brushless direct current motor according to the invention according to a fourth Exemplary embodiment of the invention, seen along the line VII-VII of> ig. 8th,
Fig.8 einen Schnitt, gesehen längs der Linie VIIl-VIII der Fig. 7,8 shows a section, seen along the line VIIl-VIII of Fig. 7,
F i g. 9A eine Abwicklung des Motors nach den F i g. 7. und 8, bei welcher die Abmessungen des Luftspaltes zur besseren Vcranschatilichiing in stark vergrößertem Maßstab dargestellt sind,F i g. 9A shows a development of the engine according to FIGS. 7. and 8, in which the dimensions of the air gap for better vcranschatilichiing in greatly enlarged Scale are shown,
Fig.9B den Verlauf der Induktion über dem in F i g. 9A dargestellten abgewickelten Roiormagnetcn,9B shows the course of the induction over the in F i g. 9A shown unwound Roiormagnetcn,
Ι·' ί g. 10 Schuubildcr /.um Erläutern der Wirkungsweise des Motors nach den F i g. 7—9,Ι · 'ί g. 10 illustration to explain how it works of the engine according to FIGS. 7-9,
Fig. 11 ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßcn kolleklorlosen Gleichstrom-Motors mil nur einer Antriebswicklung,11 shows a fifth exemplary embodiment of a device according to the invention brushless direct current motor with only one drive winding,
Fig. 12 eine Alternative zu der in Fig. 11 gezeigten Schaltung, ebenfalls zum Betrieb mit einen Motor, der nur eine einzige Antriebswicklung aufweist,FIG. 12 shows an alternative to that shown in FIG Circuit, also for operation with a motor that has only a single drive winding,
Fig. 13 Schaubilder zum Erläutern der Wirkungsweise des Motors nach F i g. 11 oder 12.13 Diagrams for explaining the mode of operation of the engine according to FIG. 11 or 12.
Fig.1 zeigt eine Draufsicht auf eine Platte 10 aus isolierendem Werkstoff, welche Ausnehmungen aufweist, in denen drei eisenlose Flachwicklungen 11, 12 und 13 befestigt sind, von denen sich die beiden zum Antrieb dienenden Wicklungen 11 und 12 diametral ge-1 shows a plan view of a plate 10 made of insulating material, which has recesses, in which three ironless flat windings 11, 12 and 13 are attached, of which the two to Windings 11 and 12 used to drive the drive are diametrically
gcnüberliegen, während die dritte Wicklung 13, die zur Steuerung der Kommutierung dient, gegenüber der Wicklung 12 um 45° mechanisch & 90° elektrisch versetzt ist. (Der permanentmagnetische Scheibenrotor dieses Motors weist, wie Buchstaben N und 5 angedeutet, vier Pole auf.)opposite, while the third winding 13, which is used to control the commutation, is offset mechanically by 45 ° and 90 ° electrically with respect to the winding 12. (The permanent magnetic disc rotor of this motor has four poles, as indicated by the letters N and 5.)
Wie dargestellt, hat die Platte 10, welche auch die elektronischen Schaltelemente des Motors tragen kann, zum Beispiel in Form einer gedruckten Schaltung, vier Befestigungslöcher 14 und eine mittlere AusnehmungAs shown, the plate 10, which can also carry the electronic switching elements of the motor, for example in the form of a printed circuit, four mounting holes 14 and a central recess
15, durch welche eine Welle 16 ragt, die an ihrem unteren Ende (bezogen auf F i g. 2), in (nicht dargestellten) Lagern gelagert ist. Wie F i g. 2 zeigt, sind auf der Welle15, through which a shaft 16 protrudes, which at its lower end (based on FIG. 2), in (not shown) Storage is stored. Like F i g. 2 shows are on the shaft
16, durch eine Distanzhülse 17 in einem genau vorgegebenen Abstand voneinander gehalten, zwei Weicheisenscheiben 18 und 19 befestigt, auf denen je ein axiai poiarisierter, als Ring ausgebildeter Dauermagnet 22 bzw. 23, zum Beispiel durch Kleben, so befestigt ist, daß zwischen diesen Magnetringen ein Luftspalt 26 gebildet wird, in dem die Statorplatte 10 angeordnet ist.16, held at a precisely predetermined distance from one another by a spacer sleeve 17, two soft iron disks 18 and 19, on each of which an axiai poiarized, ring-shaped permanent magnet 22 or 23 is attached, for example by gluing, that an air gap 26 is formed between these magnetic rings in which the stator plate 10 is arranged.
Die Lage der Pollücken 24 des Ringmagnets 22, welche zur Lage der Pollücken des Ringmagnets 23 genau spiegelbildlich ist, ist in F i g. 1 mit strichpunktierten Linien angedeutet. Die Ringmagnete 22 und 23 sind jeweils trapezförmig magnetisiert, das heißt, die Induktion hat bei ihnen etwa den in F i g. 9B dargestellten Verlauf, der natürlich nicht genau trapezförmig ist, aber im Elektromaschinenbau als trapezförmige Magnetisierung bezeichnet wird. Kennzeichnend hierfür sind relativ schmale Pollücken und ein breiter Bereich mit relativ konstanter Induktion.The position of the pole gaps 24 of the ring magnet 22, which exactly corresponds to the position of the pole gaps of the ring magnet 23 is a mirror image is shown in FIG. 1 indicated with dash-dotted lines. The ring magnets 22 and 23 are respectively magnetized trapezoidally, that is, the induction in them has approximately that in FIG. 9B shown curve, which is of course not exactly trapezoidal, but in electrical engineering referred to as trapezoidal magnetization. This is characterized by relative narrow pole gaps and a wide area with relatively constant induction.
Die Spule 13 ersetzt zusammen mit der ihr zugeordneten Schaltung einen sonst üblicherweise als Kommuticrglied verwendeten Hallgenerator. Die Lage dieses sonst erforderlichen, hier aber nicht vorhandenen Hallgenerators ist in F i g. 1 mit strichpunktierten Linien eingezeichnet und mit 25 bezeichnet. Dieser Hallgenerator 25 würde also wie dargestellt um 45° mechanisch zur Mittelachse der Wicklung 12 versetzt sein. Wie man ferner aus den F i g. 1 und 2 erkennt, liegen die Wicklungen 12 und 13 teilweise übereinander. Bei Schaltungen mit nur einer Antriebswicklung, wie sie im folgenden noch ausführlich beschrieben werden, kann die Wicklung 13 völlig flach ausgeführt werden, da dort die Wicklung 12 nicht benötigt wird.The coil 13, together with the circuit assigned to it, replaces what is usually a commutation element used hall generator. The location of this Hall generator, which is otherwise required but does not exist here is in Fig. 1 is drawn in with dash-dotted lines and labeled 25. This hall generator 25 would therefore be mechanically offset by 45 ° to the center axis of the winding 12, as shown. How one also from FIGS. 1 and 2 recognizes, the windings 12 and 13 are partially on top of each other. With circuits with only one drive winding, as will be described in detail below, the winding can 13 are designed to be completely flat, since the winding 12 is not required there.
In einer Ausnehmung der Statorplatte 10 ist außerdem ein Dauermagnet 30 befestigt, und zwar im Bereich des Außenumfangs des mit 31 bezeichneten Rotors. Der Magnet 30 ist ebenfalls axial polarisiert und hat, wie in F i g. 3 dargestellt, oben seinen Süd- und unten seinen Nord-Pol, so daß er den Rotor 31 in dessen in Fig. 1 dargestellte Lage zieht, wenn der Motor stromlos ist Um zu verhindern, daß der Magnet 30 durch die rotierenden Ringmagnete 22 und 23 dann entmagnetisiert wird, wenn sich gleichnamige Pole gegenüberstehen, haben die Ringmagnete 22 und 23 und auch der Magnet 30 eine hohe Koerzitiv-Feldstärke, zum Beispiel von größer als 2000 Oe, und zudem liegt ein Teil des Magnets 30 außerhalb des zwischen den Ringmagneten 22 und 23 gebildeten Luftspalts 26. Wie dargestellt liegt der Magnet 30 etwas näher bei der Wicklung 12 als bei der Wicklung 11, um dem Rotor 31 eine etwas unsymmetrische Startstellung zu geben, bei der sich der (gedachte) Hallgenerator 25 wie dargestellt bereits außerhalb des Bereichs einer Pollücke 24 befinden würde. Eine solche Startstellung ist für den Anlauf günstig.In addition, a permanent magnet 30 is fastened in a recess in the stator plate 10, specifically in the area the outer circumference of the rotor designated by 31. The magnet 30 is also axially polarized and, as in FIG F i g. 3, its south pole at the top and its north pole at the bottom, so that it has the rotor 31 in its in FIG position shown pulls when the motor is de-energized To prevent the magnet 30 from rotating Ring magnets 22 and 23 are demagnetized when poles of the same name are opposite each other the ring magnets 22 and 23 and also the magnet 30 have a high coercive field strength, for example greater than that than 2000 Oe, and also part of the magnet 30 is outside of that between the ring magnets 22 and 23 formed air gap 26. As shown, the magnet 30 is somewhat closer to the winding 12 than to the Winding 11 to give the rotor 31 a somewhat asymmetrical starting position in which the (imaginary) Hall generator 25 would already be outside the area of a pole gap 24, as shown. Such The starting position is favorable for the start-up.
Zur Steuerung des Stroms in den beiden Antriebswicklungen 11 und 12 ist jeweils ein Transistor 40 bzw. 41 vorgesehen, dessen Aufbau (sogenannte npn-Darlington-Schaltung) aus F i g. 1 hervorgeht. Die Emitter der Transistoren 40 und 41 sind mit dem Minus-Pol 42 einer Gleichspannungsquelle von zum Beispiel 12 V verbunden, deren Plus-Pol mit 43 bezeichnet ist. Der eine Anschluß der Wicklungen 11 und 12 ist jeweils mit dem Kollektor des zugeordneten Transistors 40 bzw. 41 verbunden, der andere mit der Plus-Leitung 43. Der Wicklungssinn und die Stromrichtung für die Wicklungen 11 und 12 sind in F i g. 1 eingezeichnet.To control the current in the two drive windings 11 and 12, a transistor 40 or 41 is provided, the structure of which (so-called npn Darlington circuit) from FIG. 1 shows. The emitters of the transistors 40 and 41 are connected to the minus pole 42 of a DC voltage source of 12 V, for example connected, the plus pole of which is denoted by 43. One connection of the windings 11 and 12 is in each case with connected to the collector of the associated transistor 40 or 41, the other to the positive line 43. The The winding sense and the current direction for the windings 11 and 12 are shown in FIG. 1 drawn.
Die Wicklung 13, die zur Steuerung der Kommutierung des Stromes in den Wicklungen 11 und 12 dient, ist an ein passives Integrierglied 44 angeschlossen, das einen Widerstand 45 (z. B. 20 kOhm) und einen Kondensator 46 (z. B. 50 Mikrofarad) aufweist. Der Anschluß 47 der Wicklung 13 ist wie dargestellt in Reihe mit dem Widerstand 45, dem Kondensator 46 und dem anderen Wicklungsanschluß 48 geschaltet, so daß im Betrieb die in der Wicklung 13 induzierte Spannung durch das Integrierglied 44 integriert wird und am Kondensator 46 eine entsprechende Wechselspannung entsteht, deren Amplitude zum Beispiel 50 mV betragen kann. Die Wicklung 13 kann zum Beispiel so ausgelegt werden, daß die in ihr direkt nach dem Anlaufvorgang induzierte Spannung etwa die Amplitude von 1 V hat. — Der Anschluß 48 ist über eine Zener-Diode 49 mit der Plus-Leitung 43, über einen Widerstand 53 mit der Basis eines pnp-Transistors 54 und über einen Widerstand 55 mit der Minusleitung 42 verbunden.The winding 13, which is used to control the commutation of the current in the windings 11 and 12, is connected to a passive integrator 44, which has a resistor 45 (z. B. 20 kOhm) and a capacitor 46 (e.g. 50 microfarads). The terminal 47 of the winding 13 is as shown in series with the Resistor 45, the capacitor 46 and the other winding connection 48 connected so that the voltage induced in winding 13 is integrated by integrating element 44 and across capacitor 46 a corresponding alternating voltage is produced, the amplitude of which can be 50 mV, for example. the Winding 13 can be designed, for example, so that the induced in it directly after the start-up process Voltage has approximately the amplitude of 1 V. - The connection 48 is via a Zener diode 49 with the positive line 43, via a resistor 53 to the base of a pnp transistor 54 and via a resistor 55 with the negative line 42 connected.
Der mit 56 bezeichnete Verbindungspunkt zwischen Widerstand 45 und Kondensator 46 ist mit der Basis eines pnp-Transistors 57 und — über einen Kondensator 58 — mit der Minusleitung 42 verbunden. Die Transistoren 54 und 57 bilden zusammen einen Differenzverstärker, das heißt, wenn der Strom in einem Transistor zunimmt, nimmt der Strom im anderen Transistor ab und umgekehrt. Hierzu sind die Emitter dieser Transistoren über je einen Widerstand 61 bzw. 62 mit einem Knotenpunkt 63 verbunden, welcher seinerseits über einen Widerstand 64 an die Plusleitung 43 geführt ist. Der Kollektor des Transistors 54 ist über einen Widerstand 65, einen mit der Basis des Transistors 40 verbundenen Knotenpunkt 66 und einen Widerstand 67 mit der Minusleitung 42 verbunden. Analog ist der Kollektor des Transistors 57 über einen Widerstand 7G, einen mit der Basis des Transistors 41 verbundenen Knotenpunkt 71 und einen Widerstand 72 mit der Minusleitung 42 verbunden.The connection point, denoted by 56, between resistor 45 and capacitor 46 is with the base a pnp transistor 57 and - connected to the negative line 42 via a capacitor 58. The transistors 54 and 57 together form a differential amplifier, that is, when the current in a transistor increases, the current in the other transistor decreases and vice versa. The emitters of these transistors are used for this purpose each connected via a resistor 61 or 62 to a node 63, which in turn via a resistor 64 is connected to the positive line 43. The collector of transistor 54 is through a resistor 65, a node 66 connected to the base of transistor 40, and a resistor 67 to the Minus line 42 connected. Similarly, the collector of transistor 57 is through a resistor 7G, one with The node 71 connected to the base of the transistor 41 and a resistor 72 to the negative line 42 tied together.
Der beschriebene Motor arbeitet wie folgt:
Vor dem Einschalten befindet sich der Rotor 31 durch die Wirkung des Magnets 30 in der in F i g. 1 dargestellten
Ruhelage. Wird nun eine Betriebsgleichspannung zwischen die Leitungen 43 und 42 angelegt, so fließt
über die Zener-Diode 49 ein Ladestrom zu den zunächst ungeladenen Kondensatoren 46 und 58. (Die Zener-Diode
49 bewirkt zusammen mit dem Widerstand 55, daß der gemeinsame Emitter-Strom des Differenz-Verstärkers
54, 57 durch den gemeinsamen Widerstand 64 praktisch konstant ist.)The motor described works as follows:
Before it is switched on, the rotor 31 is in the position shown in FIG. 1 shown rest position. If a DC operating voltage is now applied between the lines 43 and 42, a charging current flows through the Zener diode 49 to the initially uncharged capacitors 46 and 58. (The Zener diode 49, together with the resistor 55, causes the common emitter current of the differential amplifier 54, 57 is practically constant through the common resistor 64.)
Das Potential des Punktes 56 entspricht also beim Einschalten zunächst dem Potential der Minusleitung 42 und wird dann positiver, das heißt, der Transistor 57 wird beim Einschalten zunächst voll leitend und läßt einen Basis-Strom zum Transistor 41 fließen, so daß auch dieser voll leitend wird und ein Strom zur Wicklung 12 fließt Hierdurch wird der Rotor 31 in Richtung des Pfeiles 73 (Fig. 1) im Uhrzeigersinn in Umdrehung versetzt.The potential of point 56 therefore initially corresponds to the potential of negative line 42 when switched on and then becomes more positive, that is, the transistor 57 is initially fully conductive when switched on and leaves a base current to flow to transistor 41, so that this also becomes fully conductive and a current to the winding 12 flows as a result of this, the rotor 31 rotates clockwise in the direction of arrow 73 (FIG. 1) offset.
Durch den Kondensator 58 wird also beim Einschalten ein Strom erzeugt, der der Startstellung des Rotors 31 angepaßt ist und dessen Anlauf in der richtigen Drehrichtung bewirkt. Mathematisch gesehen heißt dies, daß dem Integrierglied 44 beim Start die richtige Anfangsbedingung für diese Rotorstellung vorgegeben wird.When switching on, the capacitor 58 thus generates a current that corresponds to the starting position of the rotor 31 is adapted and causes its startup in the correct direction of rotation. Mathematically speaking, this means that the integrator 44 is given the correct initial condition for this rotor position at the start.
Die Eigenschaften des Differenz-Verstärkers bewirken, daß die Transistoren 54 und 40 gesperrt sind, solange die Transistoren 57 und 41 leiten.The properties of the differential amplifier cause that the transistors 54 and 40 are blocked as long as the transistors 57 and 41 conduct.
Sobald sich der Rotor 31 dreht, wird in der Wicklung 13 eine Spannung induziert, welche durch die Wahl der Windungszahl dieser Wicklung genügend hoch ist, um am Kondensator 46 die erforderliche Spannung für die Aussteuerung des Differenz-Verstärkers 54, 57 zu erzeugen. F i g. 4 zeigt bei a) diese induzierte Spannung 74 für eine niedere Drehzahl /J1 und bei d) die induzierte Spannung 74' für eine doppelt so hohe Drehzahl /72 = 2x/j|. 74 kann zum Beipiel die induzierte Spannung direkt nach dem Anlauf sein. (Zur Vereinfachung der Darstellung sind diese Spannungen 74 und 74' als sinusförmige Spannungen dargestellt, obwohl sie in der Praxis von der Sinusform abweichen können; dies ist aber für die Erläuterung der Wirkungsweise ohne Bedeutung.) As soon as the rotor 31 rotates, a voltage is induced in the winding 13 which, due to the choice of the number of turns of this winding, is sufficiently high to generate the necessary voltage on the capacitor 46 for modulating the differential amplifier 54, 57. F i g. 4 shows at a) this induced voltage 74 for a low speed / J 1 and at d) the induced voltage 74 'for a speed twice as high / 72 = 2x / j |. 74 can be, for example, the induced voltage immediately after start-up. (To simplify the illustration, these voltages 74 and 74 'are shown as sinusoidal voltages, although in practice they may differ from the sinusoidal shape; however, this is of no significance for the explanation of the mode of operation.)
Die integrierte Spannung 75 bzw. 75' am Kondensator 46 ist in F i g. 4 in der zwei ten Reihe dargestellt. (Ihre Amplitude ist wesentlich kleiner als die Amplitude der Spannungen 74 und 74', das heißt, die Kurven 75, 75' haben einen anderen Amplituden-Maßstab.) Die Spannungen 75 und 75' haben trotz der verschiedenen Größen der induzierten Spannungen 74 und 74' wie dargestellt praktisch dieselbe Amplitude, zum Beispiel jeweils 50 mV. Dies ist eine Folge der Integration; wie eingangs bereits dargelegt, sind die Spannungen 75 und 75' dem Fluß im Luftspalt 26 proportional, und dieser Fluß ist eine Größe, die nicht von der Drehzahl abhängig ist.The integrated voltage 75 or 75 'across capacitor 46 is shown in FIG. 4 shown in the second row. (Her The amplitude is much smaller than the amplitude of the voltages 74 and 74 ', that is, the curves 75, 75' have a different amplitude scale.) The voltages 75 and 75 'have despite the different sizes of the induced voltages 74 and 74 'as illustrated have practically the same amplitude, for example each 50 mV. This is a consequence of integration; As already stated at the beginning, the voltages 75 and 75 'are dem The flow in the air gap 26 is proportional, and this flow is a quantity which is not dependent on the speed.
Wie man aus F i g. 4 erkennt, ergibt sich durch die Integration eine um 90° phasenverschobene Lage der Spannung 75 (bzw. 75') relativ zur Spannung 74 (bzw. 74'). Da aber die Wicklung 13 um 90° elektrisch zur Wicklung 12 versetzt ist, fallen die Amplituden-Maxima der Spannung 75 (bzw. 75') mit den Maxima der Spannungen zusammen, die vom Rotor 31 in der Wicklung 12 (oder 11) induziert werden. Dies ist sehr wichtig für die richtige Kommutierung der Ströme in den Wicklungen 11 und 12, da die Strom-Maxima mit den Maxima der in diesen Wicklungen induzierten Spannungen zeitlich übereinstimmen sollen.As one can see from FIG. 4 recognizes, the integration results in a position of the phase shifted by 90 ° Tension 75 (or 75 ') relative to tension 74 (or 74'). But since the winding 13 by 90 ° electrical to Winding 12 is offset, the amplitude maxima of the voltage 75 (or 75 ') fall with the maxima of the voltages together that are induced by the rotor 31 in the winding 12 (or 11). This is very important for that correct commutation of the currents in the windings 11 and 12, since the current maxima match the maxima of the in These windings induced voltages should coincide in time.
Die Spannung 75 (bzw. 751') am Kondensator 46 bewirkt also, daß nach dem Anlauf die Transistoren 54 und 57 abwechselnd eingeschaltet werden, so daß, wie in F i g. 4 bei c) bzw. f) dargestellt, die Ströme iw (im Transistor 40 und der Wicklung 11) und /^1 (im Transistor 41 und der Wicklung 12) jeweils im richtigen Zeitpunkt kommutiert werden. Im Betrieb verhält sich also eine solche Anordnung wie der (gedachte) äquivalente Hallgenerator 25 mit dem wesentlichen Unterschied, daß die Temperaturfestigkeit (bis ca. 1250C) bei einem erfindungsgemäßen Motor weitaus besser ist als bei einem Motor mit Hallgenerator, welcher eine maximale Betriebstemperatur von etwa 65° C erreichen darf. Außerdem ergibt sich bei einem erfindungsgemäßen Motor ein besserer Wirkungsgrad, da der für den Betrieb des Hallgenerators erforderliche, nicht unbeträchtliche Gleichstrom in Wegfall kommt. Die Erfindung ermöglicht es also, einen Gleichstrommotor besser auszunutzen. The voltage 75 (or 751 ') on the capacitor 46 thus causes the transistors 54 and 57 to be switched on alternately after startup, so that, as in FIG. 4 at c) and f), the currents iw (in transistor 40 and winding 11) and / ^ 1 (in transistor 41 and winding 12) are each commutated at the correct point in time. In operation, such an arrangement behaves like the (imaginary) equivalent Hall generator 25 with the essential difference that the temperature resistance (up to approx. 125 ° C.) in an engine according to the invention is far better than in an engine with a Hall generator, which has a maximum operating temperature of around 65 ° C. In addition, a motor according to the invention results in a better degree of efficiency, since the not inconsiderable direct current required for the operation of the Hall generator is eliminated. The invention thus makes it possible to better utilize a direct current motor.
Das vom Motor nach den F i g. 1 bis 4 erzeugte Antriebsmoment entspricht etwa der Form der Kurven c) bzw. f) nach F i g. 4, das heißt, dieses Moment weist Lükken auf. Dies ergibt sich durch die Motorkonstruktion. Wenn der Motor nach den Fig. 1 bis 4 ausgeschaltet wird, benötigt er, je nach angekoppelter Schwungmasse, eine bestimmte Zeit zum Auslaufen. Wird er während dieses Auslaufzeitraumes erneut eingeschaltet, so ergibt sich erneut der beschriebene Einschaltvorgang durch Aufladung des Kondensators 58. In diesem Falle ist aber keine definierte Anlaufstellung vorgegeben, da ja der Einschaltbefehl dann bei jeder beliebigen Winkelstellung des Motors möglich ist, das heißt, die Anfangsbedingung, die dem Integrierglied 44 in diesem Falle vorgegeben wird, kann falsch sein, so daß der Rotor 31 beispielsweise durch den Strom in der Wicklung 12 nicht angetrieben, sondern bis zum Stillstand abgebremst würde und dann stehen bleibt. Bei den meisten Anwendungsfällen ist aber ein sicherer Anlauf des Motors erforderlich. The engine shown in FIGS. 1 to 4 generated drive torque corresponds roughly to the shape of curves c) or f) according to FIG. 4, that is, this moment has gaps. This is a result of the engine design. If the motor is switched off according to FIGS. 1 to 4, it requires, depending on the flywheel coupled to it, a certain time to run out. If it is switched on again during this period, the result is The described switch-on process occurs again by charging the capacitor 58. In this case, however, is no defined start-up position specified, since the switch-on command is then given at any angular position of the motor is possible, that is, the initial condition which is given to the integrating element 44 in this case may be wrong, so that the rotor 31, for example, by the current in the winding 12 is not driven, but would be braked to a standstill and then stop. For most use cases however, a safe start-up of the motor is required.
Durch die Schaltung gemäß F i g. 5 wird dieser Nachteil auf einfache Weise vermieden, und zwar dadurch, daß in einem solchen Falle der Einschaltimpuls automatisch solange wiederholt wird, bis der Motor angelaufen ist. Wird also der Motor beim ersten Einschaltimpuls abgebremst, so kann er zwar kurz in seiner durch den Dauermagneten 30 vorgegebenen Startstellung stehen bleiben, läuft aber beim nächsten Einschaltimpuls, zum Beispiel nach ein oder zwei Sekunden, erneut an.The circuit according to FIG. 5, this disadvantage is avoided in a simple manner, namely by that in such a case the switch-on pulse is automatically repeated until the motor starts is. So if the motor is braked at the first switch-on pulse, it can indeed briefly in its through the Permanent magnets 30 predetermined start position stop, but runs at the next switch-on pulse to Example after a second or two, again on.
Die Schaltung nach Fig.5 ist weitgehend mit der Schaltung nach F i g. 1 identisch. Auch der dieser Schaltung zugeordnete Motor kann gleich aufgebaut sein wie der Motor nach F i g. 1 — 3.The circuit according to FIG. 5 is largely identical to the circuit according to FIG. 1 identical. Also that of this circuit The associated motor can be constructed in the same way as the motor according to FIG. 1 - 3.
Zur Wiederholung des Einschaltbefehls sind hier folgende zusätzliche Schaltelemente vorgesehen:The following additional switching elements are provided for repeating the switch-on command:
Vom Kollektor des Transistors 41 führt ein WiderstandA resistor leads from the collector of transistor 41
80 über einen Knotenpunkt 81 und einen Kondensator 82 zum Kollektor des Transistors 57. Eine Diode 83 ist mit ihrer Kathode an die Basis des Transistors 54 und mit ihrer Anode an den Knotenpunkt 81 angeschlossen.80 through a node 81 and a capacitor 82 to the collector of the transistor 57. A diode 83 is with its cathode connected to the base of transistor 54 and with its anode connected to node 81.
Die Schaltung nach F i g. 5 arbeitet wie folgt:The circuit according to FIG. 5 works as follows:
Beim Einschalten erhält der Kondensator 46, wie bereits beschrieben, über den Kondensator 58 eine Anfangsladung. Wenn der Motor nicht anläuft, entlädt sich diese Ladung innerhalb relativ kurzer Zeit über den Widerstand 45 und die Wicklung 13, und der Differenz-Ver stärker 54,57 befindet sich dann in seinem elektrischen Gleichgewicht, bei dem in beiden Transistoren 54 und 57 so wenig Strom fließt, daß weder der Transistor 40 noch der Transistor 41 leiten. Der Kondensator 82 wird dann über die Wicklung 12 und die Widerstände 80, 70, 72 allmählich aufgeladen, bis das Potential des Knotenpunktes 81 positiver wird als das Potential an der Basis des Transistors 54. Über die Diode 83 fließt dann ein Strom zur Basis des Transistors 54, der dessen Kollektorstrom vermindert und damit — infolge des durch den Widerstand 64 eingeprägten konstanten Emitterstroms — den Kollektorstrom des Transistors 57 erhöhtWhen switched on, the capacitor 46, as already described, receives an initial charge via the capacitor 58. If the motor does not start, this charge is discharged through the resistor within a relatively short time 45 and the winding 13, and the differential Ver stronger 54,57 is then in his electrical Equilibrium in which so little current flows in both transistors 54 and 57 that neither transistor 40 the transistor 41 still conduct. The capacitor 82 is then connected via the winding 12 and the resistors 80, 70, 72 gradually charged until the potential of the node 81 becomes more positive than the potential at the base of the transistor 54. A current then flows through the diode 83 to the base of the transistor 54, which is its collector current reduced and thus - due to the constant emitter current impressed by the resistor 64 - The collector current of the transistor 57 is increased
Durch den Spannungsabfall am Widerstand 70 entsteht nun ein zusätzlicher Mitkopplungseffekt, da die Spannung am Kollektor des Transistors 57 jetzt positiver wird, wodurch auch das Potential am KnotenpunktThe voltage drop across the resistor 70 now creates an additional positive feedback effect, since the The voltage at the collector of the transistor 57 now becomes more positive, as a result of which the potential at the node point
81 positiver wird und der Transistor 54 noch mehr gesperrt wird. Dies setzt sich solange fort, bis der Transistor 41 voll leitend ist, das heißt, es wird genau dieselbe Wirkung erreicht, die beim ersten Anlauf durch den Kondensator 58 erzielt wurde. Läuft der Motor jetzt an, so ergibt sich dieselbe Wirkungsweise des Integrierglieds 44, wie sie zuvor im Zusammenhang mit F i g. 481 becomes more positive and transistor 54 is blocked even more. This continues until the transistor 41 is fully conductive, that is, it will be exactly the same Effect achieved, which was achieved by the capacitor 58 at the first start. If the engine starts now, this results in the same mode of operation of the integrating element 44 as was previously described in connection with FIG. 4th
ausführlich beschrieben wurde.has been described in detail.
Kann der Motor auch jetzt nicht anlaufen, zum Beispiel weil sein Rotor 31 blockiert ist, so schaltet sich der Strom im Transistor 41 von selbst nach kurzer Zeit, zum Beispiel 1/10 Sekunde, wieder ab, da der Kondensator B2 über die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 54 schnell entladen wird. Der beschriebene Vorgang wiederholt sich dann nach einem durch die Größe der Komponenten vorgegebenen Zeitintervall, zum Beispiel nach einigen Sekunden.If the motor cannot start even now, for example because its rotor 31 is blocked, it will switch Current in transistor 41 by itself after a short time, for example 1/10 second, decreases again because the capacitor B2 is quickly discharged through the base-emitter path of transistor 54. Repeat the process described then according to a time interval predetermined by the size of the components, for example after a few seconds.
Da der Motor auch bei blockiertem Läufer 31 nur kurze Stromimpulse erhält, kann er nicht überhitzt werden. Dies stellt einen wesentlichen zusätzlichen Vorteil der Schaltung nach F i g. 5 dar. (Auch der Motor nach F i g. 1 bleibt bei blockiertem Rotor 31 stromlos.)Since the motor only receives short current pulses even when the rotor 31 is blocked, it cannot be overheated. This represents a significant additional advantage of the circuit of FIG. 5 (also the engine after F i g. 1 remains de-energized when the rotor 31 is blocked.)
!m normalen Betrieb ist das Potential des Punktes 81 stets negativer als die Basis des Transistors 54, das heißt, die Diode 83 ist dann dauernd gesperrt; die beschriebene Vorrichtung ist also nur dann wirksam, wenn der Motor nicht angelaufen ist; bei angelaufenem Motor schaltet sie sich von selbst ab.! In normal operation, the potential of point 81 is always more negative than the base of transistor 54, that is, diode 83 is then permanently blocked; the described The device is only effective when the engine has not started; with the engine running it switches itself off.
Wie bereits dargelegt, kann man sich die erfindungsgemäße Anordnung praktisch als Ersatz für einen Hallgenerator vorstellen, da sie im Betrieb sehr ähnliche Eigenschaften hat wie ein solcher, also unter anderem zwei gegenphasige Steuerausgänge, sowie von der Größe der Induktion, aber nicht von der Drehzahl abhängige Amplituden des Ausgangssignals.As already explained, the arrangement according to the invention can practically be imagined as a replacement for a Hall generator, since they are very similar in operation Has properties like one, including two control outputs in antiphase, as well as its size the induction, but not the speed dependent amplitudes of the output signal.
Bei Motoren üblicher Bauart, die meist mit vier sternförmig angeordneten Wicklungen versehen sind, um ein weitgehend gleichmäßiges elektromagnetisches Antriebsmoment über dem Drehwinkel zu erzeugen, benötigt man bekanntlich 2 Hallgeneratoren. Diese Hallgeneratoren können gemäß der Anordnung nach F i g. 6 auch durch erfindungsgemäße Anordnungen ersetzt werden, um beispielsweise höhere Betriebstemperaturen zu ermöglichen. Es werden dann zwei Schaltungen gemäß F i g. 5 benötigt, welche in F i g. 6 mit 85 und 86 bezeichnet sind, denen jeweils entsprechend einer durch einen Dauermagneten 87 vorgegebenen Startstellung des mit 88 bezeichneten Rotors dieses Motors 89 Anfangsbedingungen Cl und C 2 zugeordnet sind, zum Beispiel durch entsprechende Wahl des Kondensators 58 gemäß F i g. 5, um so einen Anlauf in der gewünschten Drehrichtung sicherzustellen.In motors of the usual design, which are usually provided with four windings arranged in a star shape, in order to generate a largely uniform electromagnetic drive torque over the angle of rotation, it is known that two Hall generators are required. These Hall generators can according to the arrangement according to FIG. 6 can also be replaced by arrangements according to the invention in order, for example, to enable higher operating temperatures. There are then two circuits according to FIG. 5 is required, which is shown in FIG. 6 are denoted by 85 and 86, to which initial conditions C1 and C 2 are assigned in each case according to a starting position of the rotor denoted by 88 of this motor 89 predetermined by a permanent magnet 87, for example by appropriate selection of the capacitor 58 according to FIG. 5, in order to ensure a start-up in the desired direction of rotation.
Der Motor 89 hat vier Antriebswicklungen 92,93,94 und 95, welche jeweils mit einem Anschluß an Plus liegen. Die anderen Anschlüsse der Wicklungen 93 und 95 sind an die Ausgänge der Schaltung 85 angeschlossen und die anderen Anschlüsse der Wicklungen 92 und 94 an die Ausgänge der Schaltung 86. Mit dem Rotor 88 ist ein Steuermagnet 95 gekuppelt, dem 2 Meßwicklungen 96 und 97 zugeordnet sind. Die im Betrieb in der Wicklung 96 induzierte Spannung wird in der Schaltung 85 integriert und die in der Wicklung 97 induzierte Spannung wird in der Schaltung 86 integriert Zum Einschalten dient ein Schalter 98, der mit dem Minuspol der Gleichspannungsquelle verbindetThe motor 89 has four drive windings 92,93,94 and 95, each with a connection to plus. The other connections of windings 93 and 95 are connected to the outputs of circuit 85 and the other connections to windings 92 and 94 to the outputs of the circuit 86. A control magnet 95 is coupled to the rotor 88, the 2 measuring windings 96 and 97 are assigned. The voltage induced in the winding 96 during operation is used in the circuit 85 integrated and the voltage induced in the winding 97 is integrated in the circuit 86 for switching on a switch 98 is used, which connects to the negative pole of the DC voltage source
Vor dem Einschalten befindet sich infolge des Magnets 87 der Rotor 88 in der gezeigten Startstellung. Beim Einschalten des Schalters 98 werden die beiden Anfangsbedingungen CX und C2 wirksam und bewirken einen entsprechenden Stromimpuls, zum Beispiel in den Statorwicklungen 92 (zum Anziehen des Rotormagnets 88) und 95 (zum Abstoßen des Rotormagnets 88). Der Motor läuft dann im Uhrzeigersinn an und die beiden Integrationsschaltungen, die, wie erläutert, im Aufbau jeweils der Schaltung nach Fig.5 entsprechen, steuern dann die Kommutierung.Before switching on, the rotor 88 is in the starting position shown as a result of the magnet 87. When the switch 98 is switched on, the two initial conditions CX and C2 become effective and cause a corresponding current pulse, for example in the stator windings 92 (to attract the rotor magnet 88) and 95 (to repel the rotor magnet 88). The motor then starts clockwise and the two integration circuits, which, as explained, correspond in structure to the circuit according to FIG. 5, then control the commutation.
Läuft der Motor nicht an, so wird die Anlaufwiederholung (Teile 80,82,83 gemäß F i g. 5) wirksam. Zweckmäßig wird das Wiederholungsintervall bei den Integrierschaltungen 85 und 86 verschieden gewählt. Durch die Anlaufwiederholung kann es ersichtlich vorkommen, daß der Motor zunächst in der falschen Richtung anläuft. Sobald der Motor aber läuft, werden beide Integrierschaltungen 85, 86 voll wirksam und steuern nunIf the motor does not start, the start repetition (parts 80, 82, 83 according to FIG. 5) becomes effective. Appropriate becomes the repetition interval in the integrating circuits 85 and 86 chosen differently. As a result of the start-up repetition, it can be seen that that the motor initially starts in the wrong direction. As soon as the engine is running, however, both integrating circuits 85, 86 fully effective and control now
ίο ihrerseits den Motor so, daß er in der richtigen Richtung läuft, das heißt, ein solcher Motor kommt dann zunächst kurzzeitig wieder zum Stillstand — wobei im Kondensator 46 (F i g. 5) ein der Lage des Rotors entsprechender Spannungswert gespeichert bleibt — und entsprechend diesem Spannungswert läuft der Rotor dann in der richtigen Richtung an. Auch dies zeigt sehr deutlich die Analogie zum Hallgenerator, der ja auch die Drehrichtung selbsttätig umsteuert, wenn der Motor zum Beispiel von Hand in der falschen Richtung angeworfen wird.ίο turn the motor so that it goes in the right direction runs, that is, such a motor then comes to a short standstill again - with in the capacitor 46 (FIG. 5) a voltage value corresponding to the position of the rotor remains stored - and accordingly With this voltage value, the rotor then starts running in the correct direction. This also shows very clearly the Analogous to the Hall generator, which automatically reverses the direction of rotation when the engine is running, for example is started manually in the wrong direction.
Bei einer zeichnerisch nicht dargestellten Variante hierzu wirkt der Rotormagnet 88 direkt auf die Meßwicklungen 96,97, indem diese in geeigneter Weise zum Beispiel direkt in den Stator eingewickelt sind. Der Steuermagnet 95 erübrigt sich dann.In a variant of this, not shown in the drawing, the rotor magnet 88 acts directly on the measuring windings 96,97 by wrapping them directly in the stator in a suitable manner, for example. Of the Control magnet 95 is then unnecessary.
Eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Motors zeigen die Fig. 7—9. Der dort gezeigte Motor 100, dessen mechanischer Aufbau nur schematisch angedeutet ist, ist ein Außenläufermotor, dessen Rotor 101 einen radialemagnetisierten. 2-poligen, massiven Magnetring aufweist. Zur besseren Veranschaulichung ist auch hier ein — rein hypothetischer, also in Wirklichkeit nicht vorhandener — äquivalenter Hallgenerator 102 dargestellt. Ferner ist zur besseren Veranschaulichung der Nordpol — Bereich des Rotors 101 schraffiert und der Südpol-Bereich gepunktet dargestellt. Wie F i g. 9B zeigt, ist auch hier der Induktionsverlauf über dem Rotor trapezförmig im Sinne der obigen Ausführungen. Die Pollücken sind mit 103 und 104 bezeichnet. Der Magnetring 101 ist mittels eines ihn umgreifenden Topfes 105 mit einer Welle 106 verbunden, die in einem schematisch dargestellten Lager 107 gelagert ist.Another embodiment of a motor according to the invention is shown in FIGS. 7-9. The one shown there Motor 100, the mechanical structure of which is only indicated schematically, is an external rotor motor, its Rotor 101 a radially magnetized. 2-pole, massive Has magnetic ring. For a better illustration, a - purely hypothetical, i.e. in Equivalent Hall generator 102, which does not exist in reality, is shown. Also is for better illustration the north pole area of the rotor 101 is hatched and the south pole area is shown dotted. Like F i g. 9B shows, here too the induction profile over the rotor is trapezoidal in the sense of the above Executions. The pole gaps are labeled 103 and 104. The magnetic ring 101 is by means of an encompassing it Pot 105 connected to a shaft 106 which is mounted in a bearing 107 shown schematically is.
Der Stator 110 ist an einem ortsfreien Teil 111 befestigt und hat Doppel-T-Form, wobei die Enden der ausgeprägten Pole 112, 113 fast aneinander stoßen und gerade noch genügend Platz zum Einbringen von zwei über eine Mittelanzapfung 114 in Reihe geschalteten Antriebswicklungen 115, 116 bleibt, deren Anschlüsse mit 117 und 118 bezeichnet sind. Die Wicklungen 115, 116 haben bei dieser Konstruktion zweckmäßig ungleiche Drahtstärken und/oder verschiedene Windungszahlen, um im Betrieb eine verschiedene Ampere-Windungszahl dieser Wicklungen zu erreichen. Naturgemäß kann derselbe Effekt auch dadurch erreicht werden, daß man gleiche Windungszahlen, aber verschieden große Ströme verwendet Die Wicklung 116 kann zum Beispiel eine kleinere Windungszahl aufweisen. Die Nuten für die Wicklungen 115,116 sind mit 119 und 120 bezeichnet The stator 110 is attached to a stationary part 111 and has a double-T shape with the ends of the salient poles 112, 113 almost butting against each other and just enough space to introduce two connected in series via a center tap 114 Drive windings 115, 116 remain, the connections of which are labeled 117 and 118. The windings 115, 116 suitably have different wire sizes and / or different numbers of turns in this construction, in order to achieve a different number of ampere turns in these windings during operation. Naturally the same effect can also be achieved by using the same number of turns but different sizes Currents Used The winding 116 may, for example, have a smaller number of turns. The grooves for the windings 115, 116 are designated 119 and 120
Um 90° elektrisch (und mechanisch) zu den Wicklungen 115 und 116 versetzt ist in zwei Nuten 121,122 des Stators 110 eine Wicklung 123 untergebracht, die das Ausgangssignal für das Integrierglied liefert, zum Beispiel für das Integrierglied 44 nach F i g. 5. Ihre Ausgänge sind mit 124 bezeichnet. Die bei diesem Motor durch die Luftspaltform vorgegebene Drehrichtung ist durch einen Pfeil 125 angedeutet.Offset by 90 ° electrically (and mechanically) to the windings 115 and 116 is in two grooves 121, 122 of the Stator 110 housed a winding 123, which Provides output signal for the integrating element, for example for the integrating element 44 according to FIG. 5. Your outputs are denoted by 124. The direction of rotation specified by the shape of the air gap in this motor is through an arrow 125 indicated.
In der Mitte der Pole 112, 113 ist jeweils ein radial polarisierter Dauermagnet 126 bzw. 127 angebracht Beide Magnete 126 und 127 haben oben ihren Süd- und unten ihren Nordpol (bezogen auf F i g. 7). Die Magnete können sich jeweils, wie dargestellt, über einen Winkel von ca. 90° elektrisch erstrecken. Sie werden zweckmäßig nach Einbringen der Wicklung 123 in entsprechende Vertiefungen des Stators eingeklebtIn the middle of the poles 112, 113 , a radially polarized permanent magnet 126 or 127 is attached. Both magnets 126 and 127 have their south pole at the top and their north pole at the bottom (with reference to FIG. 7). As shown, the magnets can each electrically extend over an angle of approximately 90 °. They are expediently glued into corresponding depressions in the stator after the winding 123 has been introduced
Um den magnetischen Widerstand des mit 130 bezeichneten Luftspalts drehwinkel&bhängig zu machen und dadurch ein Reluktanzmoment ganz bestimmter Form zu erzeugen, wie das im folgenden anhand von Fig. 10 erläutert wird, hat der Außenumfang der Pole 112, 113 eine ganz bestimmte Form, die am besten aus der Abwicklung gemäß F i g. 9A hervorgeht Demnach nimmt der tatsächliche, also mittels eines Meßinstruments meßbare Luftspalt 130 ausgehend von den Nuten 119 bzw. 120 in Drehrichtung gesehen über einen relativ kurzen Winkelweg von zum Beispiel 30° elektrisch bis zu einem Maximum 131 bzw. 131' zu und von dort aus bis zur nächsten Nut monoton wieder ab.Is to make the magnetic resistance of the air gap indicated at 130 rotation angle epending and thereby generate a reluctance torque of very specific shape, as the below with reference to Fig. 10 explained, the outer periphery of the poles 112, 113, a very specific shape that best from the settlement according to FIG. 9A. Accordingly, the actual air gap 130 , that is measurable by means of a measuring instrument, increases from the grooves 119 or 120 viewed in the direction of rotation over a relatively short angular path of, for example, 30 ° electrically up to a maximum 131 or 131 'and from there monotonously down to the next groove.
Da die Nuten 119,120 praktisch eine Vergrößerung des tatsächlichen Luftspalts darstellen, kann man den äquivalenten, also magnetisch wirksamen Luftspalt durch die gestrichelten Linien 132 bzw. 132' approximieren. Dieser äquivalente Luftspalt hai also seine Minima 133 bzw. 133' in Drehrichtung gesehen vor der zugeordneten Nut, zum Beispiel 30° elektrisch vor ihr.Since the grooves 119, 120 practically represent an enlargement of the actual air gap, the equivalent, that is to say magnetically effective air gap can be approximated by the dashed lines 132 and 132 '. This equivalent air gap thus has its minima 133 or 133 ', viewed in the direction of rotation, in front of the assigned groove, for example 30 ° electrically in front of it.
Läuft bei der Form der Induktion gemäß F i g. 9B eine Pollücke (z. B. 103) des Rotors 101 in Drehrichtung 125 über ein Gebiet sich verkleinernden Luftspalts, so muß hierzu der Rotor 101 angetrieben werden, das heißt, es entsteht ein in F i g. 10c mit 134 bezeichnetes bremsendes Reluktanzmoment. Läuft umgekehrt eine solche Pollücke (z. B. 103) über ein Gebiet sich erweiternden äquivalenten Luftspalts hinweg, so bewirkt dies ein antreibendes Reluktanzmoment, das in Fig. 10c mit 135 bezeichnet ist Die Form der Momente 134 und 135 ist ersichtlich von der Form des äquivalenten Luftspalts abhängig und kann deshalb entsprechend den Erfordernissen gewählt werden.Runs in the form of induction according to FIG. 9B shows a pole gap (e.g. 103) of the rotor 101 in the direction of rotation 125 over an area of decreasing air gap, the rotor 101 must be driven for this purpose, that is to say, an in FIG. 10c with 134 designated braking reluctance torque. Is reversed such a pole gap (eg., 103) over an area expanding equivalent air gap of time, as this causes a driving reluctance torque, which is designated in FIG. 10c with 135 The shape of the moments 134 and 135 can be seen from the shape of the equivalent air gap and can therefore be selected according to requirements.
Die Dauermagnete 126 und 127 bewirken im Betrieb ebenfalls ein Moment, dessen Form in Fig. 10b dargestellt ist. Wird der Rotor 101 zum Beispiel aus seiner Stellung nach F i g. 7 in Drehrichtung weitergedreht, so muß er hierzu angetrieben werden. Dieses bremsende Moment ist in Fig. 10b mit 136 bezeichnet. Etwa 180° elektrisch weiter beginnt dann ein mit 137 bezeichnetes antreibendes Moment.The permanent magnets 126 and 127 also produce a moment during operation, the shape of which is shown in FIG. 10b. If the rotor 101 is moved, for example, from its position according to FIG. 7 further rotated in the direction of rotation, it must be driven for this purpose. This braking moment is denoted by 136 in FIG. 10b. A driving torque labeled 137 then begins approximately 180 ° further electrically.
Addiert man die Momentenkurven nach F i g. 10b und 10c, so erhält man die Kurve nach Fig. 1Od, das heißt, dies ist der Momentenverlauf, den man zum Beispiel mit der Federwaage mißt, wenn man die auf den Rotor 101 wirkenden Momente bei stromlosem Motor in den verschiedenen Drehstellungen ermittelt. Der Momentenverlauf gemäß F i g. 1Od hat an zwei Stellen 138 und 139 den Wert Null. Der Punkt 138 entspricht der in den F i g. 7 und 9A dargestellten stabilen Ruhelage. Der entsprechende Winkel alpha ist in Fig. 7 und in Fig. 1Od eingetragen. Der Punkt 139 entspricht einer instabilen Rotorstellung, aus der sich der Rotor 101 bei der geringsten Erschütterung herausdreht. Der Abstand zwischen dem Punkt 139 und dem darauffolgenden stabilen Punkt 138' ist, wie dargestellt, größer als 180° elektrisch, was für die vorliegende Erfindung insofern von Bedeutung ist, als man dadurch erreicht, daß die Punkte 138 und 139 beide in den zwei ersten Quadranten (0 bis 180° elektrisch) liegen, so daß der Motor selbst dann noch in der richtigen Richtung anläuft, wenn er zufällig in der instabilen Stellung 139 stehengeblieben ist (Dasselbe gilt für die Kurve 159 nach F i g. 13d und deren Punkte 160 und 161). Adding the torque curves according to Fig. 10b and 10c, the curve according to FIG. 10d is obtained, that is to say, this is the torque curve which is measured, for example, with the spring balance when determining the torques acting on the rotor 101 with the motor in the various rotational positions de-energized. The torque curve according to FIG. 1Od has the value zero in two places 138 and 139. Point 138 corresponds to that in FIGS. 7 and 9A shown stable rest position. The corresponding angle alpha is entered in FIG. 7 and in FIG. 10d. The point 139 corresponds to an unstable rotor position from which the rotor 101 rotates with the slightest vibration. The distance between the point 139 and the subsequent stable point 138 ' is, as shown, greater than 180 ° electrical, which is important for the present invention insofar as one reaches the points 138 and 139 both in the first two Quadrants (0 to 180 ° electrical) so that the motor will still start in the correct direction even if it happened to come to a standstill in the unstable position 139 (the same applies to curve 159 according to FIG. 13d and its points 160 and 161).
Entsprechend der unsymmetrischen Form des in Fig. 1Od dargestellten, sozusagen in den Motor eingebauten Moments muß auch das von den beiden Antriebswicklungen 115,116 erzeugte elektromagnetische Antriebsmoment unterschiedlich groß sein.Corresponding to the asymmetrical shape of the torque shown in FIG. 10d, so to speak built into the motor, the electromagnetic drive torque generated by the two drive windings 115, 116 must also be of different magnitude.
ίο Physikalisch kann man dies sich so erklären, daß die
Wirkung der Wicklung 116 durch die Dauermagnete 126 und 127 unterstützt wird, während diese Dauermagnete
dem durch die Wicklung 115 erzeugten elektromagnetischen Antriebsmoment entgegen wirken, oder
anders gesagt: der Motor speichert einen Teil der vom Strom in der Wicklung 115 in den Motor hineingepumpten
Energie und gibt diese Energie in den Lücken des elektromagnetischen Antriebsmoments, die in Fig. 10a
mit 141 und 142 bezeichnet sind, sowie während der Dauer des schwächeren elektromagnetischen Antriebsmoments wieder ab. Das von der Wicklung 115 erzeugte
Antriebsmoment ist in Fig. 10a mit Mus, das von der
Wicklung 116 erzeugte Moment mit Λίπβ bezeichnet
Addiert man die Kurven nach F i g. 10a und F i g. 1 Od, so erhält man der in F i g. 1Oe dargestellten, lückenfreien
Momentenverlauf, mit dem ein solcher Motor seine Last antreibt Das in Fig. 1Oe dargestellte Gesamtmoment
Mgcs hat einen weitgehend konstanten Verlauf.
Beim Motor nach F i g. 7 wird also im Betrieb die Wicklung 115 an den Transistor 41 nach Fig.5, die
Wicklung 116 an den Transistor 40 und die Wicklung 123 an das Integrierglied 44 angeschlossen. Beim Einschalten
erhält dann zuerst die Wicklung 115 Strom (durch den die Anfangsladung festlegenden Kondensator
58), so daß der Motor in Richtung des Pfeiles 125 aus
seiner in F i g. 7 dargestellten Startstellung anläuft, wonach dann das Integrierglied 44 wirksam wird, sobald in
der Wicklung 123 eine genügend große Spannung induziert wird. Das Integrierglied hat dann praktisch dieselbe
Wirkung wie der in den F i g. 7 und 9A dargestellte äquivalente Hallgenerator 102. ίο This can be explained physically in such a way that the effect of the winding 116 is supported by the permanent magnets 126 and 127 , while these permanent magnets counteract the electromagnetic drive torque generated by the winding 115 , or in other words: the motor stores part of the current in the winding 115 in the motor pumped energy and releases this energy in the gaps of the electromagnetic drive torque, which are designated in Fig. 10a with 141 and 142 , and during the duration of the weaker electromagnetic drive torque. The drive torque generated by the coil 15 is designated 1 in Fig. 10a with Mus, the torque generated by the winding 116 Λίπβ
If we add the curves according to FIG. 10a and FIG. 1 Od, one obtains the in FIG. 10e shown, gap-free torque curve with which such a motor drives its load. The total torque M gcs shown in Fig. 10e has a largely constant curve.
In the case of the engine according to FIG. 7, the coil 115 to the transistor 41 according to Figure 5, the coil 116 to the transistor 40 and the winding is thus 123 connected to the integrator 44 in the operation. When switching on, the winding 115 first receives current (through the capacitor 58 which determines the initial charge), so that the motor moves in the direction of arrow 125 from its position in FIG. 7 starts up, after which the integrating element 44 becomes effective as soon as a sufficiently high voltage is induced in the winding 123. The integrator then has practically the same effect as that in FIGS. Equivalent Hall generator 102 shown in FIGS. 7 and 9A.
Gegenüber dem in F i g. 1 dargestellten Motoraufbau hat die Konstruktion nach F i g. 7 — gleichgültig auf welche Art die Kommutierung erfolgt — den wesentlichen Vorteil, daß die Magnete 126 und 127 zwar die richtige Startstellung herbeiführen, aber im Betrieb zwar ein bremsendes, aber kein den Gesamtverlauf störendes Moment erzeugen. Bei der Ausführungsform nach F i g. 1 dagegen bewirkt der Magnet 30 ein Moment, das sich dem von den Wicklungen 11 und 12 erzeugten Moment als störendes Wechselmoment überlagert, und dies zwingt praktisch dazu, diesen Magnet 30 möglichst schwach zu machen. Bei der Ausführungsform nach F i g. 7 dagegen kernen die Magnete 126 und 127 immer genügend stark gewählt werden, damit sie den Rotor 101 in die gewünschte Startstellung hineinziehen. Compared to the in F i g. The engine structure shown in FIG. 1 has the structure according to FIG. 7 - regardless of the way in which the commutation takes place - the essential advantage that the magnets 126 and 127 bring about the correct starting position, but generate a braking moment during operation, but not a moment which disturbs the overall course. In the embodiment according to FIG. 1, on the other hand, the magnet 30 causes a moment that is superimposed on the moment generated by the windings 11 and 12 as a disturbing alternating moment, and this practically forces this magnet 30 to be made as weak as possible. In the embodiment according to FIG. 7, on the other hand, the magnets 126 and 127 are always chosen to be strong enough so that they pull the rotor 101 into the desired starting position.
Der Motor nach den Fig.7—10 kann noch weiter vereinfacht werden, und man kommt dann zu der Konstruktion nach Fig. 11, die nur noch eine einzige Antriebswicklung benötigt. (Eine zur Konstruktion nach F i g. 11 analoge Konstruktion eines Flach-Motors ist in der DE-OS 22 60 069 beschrieben, auf die zur Vermeidung übermäßiger Längen ausdrücklich verwiesen wird.)The motor according to FIGS. 7-10 can go further be simplified, and one then comes to the construction according to FIG. 11, which only has a single drive winding needed. (A construction of a flat motor analogous to the construction according to FIG. 11 is shown in in DE-OS 22 60 069, to which express reference is made to avoid excessive lengths will.)
Der mechanische Aufbau des Motors nach F i g. 11 entspricht demjenigen des Motors nach den F i g. 7 bis 10. Die einzige Antriebswicklung des Motors nachThe mechanical structure of the engine according to FIG. 11th corresponds to that of the engine according to FIGS. 7 to 10. The only drive winding of the motor after
F i g. 11 ist mit 142 bezeichnet Ihr einer Anschluß ist an die Plus-Leitung 43 angeschlossen, ihr anderer Anschluß an den Kollektor eines npn-Transistors 143, dessen Emitter mit der Minus-Leitung 42 verbunden ist Das Integrieglied, an das die Wicklung 123 angeschlossen ist ist hier ein aktives Integneglied in Form eines sogenannten Miller-Integrators 144 mit einem npn-Transistor 145, zwischen dessen Kollektor und Basis ein Integrierkondensator 146 von zum Beispiel 3 Mikrofarad und ein zu diesem paralleler Widerstand 147 geschaltet sind. Die Basis des Transistors 145 ist über einen Widerstand 148 mit dem einen Anschluß der Wicklung 123 verbunden, deren anderer Anschluß an die Minus-Leitung 42 angeschlossen istF i g. 11 is denoted by 142. One connection is connected to the plus line 43 , the other connection to the collector of an npn transistor 143, the emitter of which is connected to the minus line 42. The integral element to which the winding 123 is connected here an active integral element in the form of a so-called Miller integrator 144 with an npn transistor 145, between whose collector and base an integrating capacitor 146 of, for example, 3 microfarads and a resistor 147 parallel to it are connected. The base of the transistor 145 is connected via a resistor 148 to one terminal of the winding 123 , the other terminal of which is connected to the negative line 42
Vom Kollektor des Transistors 145 führt ein Widerstand 151 zur Plus-Leitung 43 und ein Widerstand 152 zur Basis eines pnp-Transistors 153, dessen Emitter mit der Plus-Leitung 43 und dessen Kollektor über einen Widerstand 154, einen mit der Basis des Transistors 143 verbundenen Knotenpunkt 155 und einen Widerstand 156 mit der Minus-Leitung 42 verbunden istA resistor 151 leads from the collector of the transistor 145 to the plus line 43 and a resistor 152 to the base of a pnp transistor 153, the emitter of which is connected to the plus line 43 and its collector via a resistor 154, one connected to the base of the transistor 143 Junction 155 and a resistor 156 are connected to the minus line 42
Beim Motor nach F i g. 11 sind die am Stator 110 vorgesehenen Dauermagnete 126 und 127 stärker gewählt als beim Motor nach F i g. 7, so daß das von ihnen im Betrieb erzeugte Moment 157 (Fig. 13b) eine größere Amplitude hat Das in Fig. 13c dargestellte Reluktanzmoment 158 hat dagegen etwa dieselbe Form wie das in F i g. 1 Oc dargestellte Moment. (Die Magnetisierung des Rotors 101 in F i g.! 1 hat ebenfalls den in F i g. 9B dargestellten Verlauf.) — Entsprechend ergibt sich eine andere Form des in Fig. 13d dargestellten Summenmoments 159 aus den Momenten 157 und 158. Das Moment 159 hat einen stabilen Punkt 160 entsprechend der Rotorstellung nach F i g. 11 und einen instabilen Punkt 161, welche beide innerhalb der beiden ersten Quadranten, also innerhalb des Winkelbereichs von 0—180° elektrisch liegen, wodurch sich der oben bei F i g. 10 bereits erläuterte Vorteil ergibt, daß der Motor auch dann in der richtigen Drehrichtung anläuft, wenn er zufällig in seiner instabilen Stellung 161 stehengeblieben ist.In the case of the engine according to FIG. 11, the permanent magnets 126 and 127 provided on the stator 110 are selected to be stronger than in the motor according to FIG. 7, so that the torque 157 generated by them during operation (FIG. 13b) has a greater amplitude. The reluctance torque 158 shown in FIG. 13c, on the other hand, has approximately the same form as that in FIG. 1 Oc moment shown. (The magnetization of the rotor 101 in FIG. 1 also has the course shown in FIG. 9B.) Correspondingly, a different form of the sum moment 159 shown in FIG. 13d results from the moments 157 and 158. The moment 159 has a stable point 160 corresponding to the rotor position according to FIG. 11 and an unstable point 161, both of which lie electrically within the first two quadrants, that is to say within the angular range of 0-180 °. The advantage already explained in FIG. 10 results in that the motor starts up in the correct direction of rotation even if it happens to have stopped in its unstable position 161.
Das von der Wicklung 142 im Betrieb erzeugte, elektromagnetische Antriebsmoment ist in Fig. 13a dargestellt und mit 162 bezeichnet Da es während weniger als 180° elektrisch wirksam ist, müssen seine mit 265 bezeichneten Lücken durch das Moment 159 (Fig. 13d) überbrückt werden, und durch Addition der Momente 162 und 159 erhält man das in Fig. 13e dargestellte lückenfreie Gesamtmoment Mgcs, das einen weitgehend gleichförmigen Verlauf hat.The electromagnetic drive torque generated by the winding 142 during operation is shown in FIG. 13a and designated 162. Since it is electrically effective for less than 180 °, its gaps designated 265 must be bridged by the torque 159 (FIG. 13d), and by adding the moments 162 and 159 one obtains the gap- free total moment M gcs shown in FIG. 13e , which has a largely uniform course.
Der Motor nach F i g. 11 arbeitet wie folgt:
Bei ausgeschaltetem Motor befindet sich der Rotor 101 in der stabilen Stellung 160 gemäß Fig. 13d, welche
auch in F i g. 11 dargestellt ist. Wird jetzt eine Spannung an die Leitungen 42 und 43 gelegt, so ist der Kondensator
146 des Integrierglieds 144 zunächst ungeladen, so daß der Transistor 145 sofort leitend wird und seinerseits
die Transistoren 153 und 143 leitend steuert, so daß ein Strom durch die Wicklung 142 fließt und der Rotor
101 in Richtung des Pfeiles 125 angetrieben wird.The engine according to FIG. 11 works as follows:
When the engine is switched off, the rotor 101 is in the stable position 160 according to FIG. 13d, which is also shown in FIG. 11 is shown. If a voltage is now applied to the lines 42 and 43 , the capacitor 146 of the integrating element 144 is initially uncharged, so that the transistor 145 immediately becomes conductive and, in turn, controls the transistors 153 and 143 to be conductive, so that a current flows through the winding 142 and the rotor 101 is driven in the direction of arrow 125 .
Sobald sich der Rotor 101 dreht, induziert er in der μ,·« Qn0 elektrisch versetzten Wickiup** i?3 pin*» Snepnung, die im Integrierglied 144 integriert wird und die dann den Strom in der Wicklung 142 so steuert, daß sich die Momentenform 162 gemäß F i g. 13a ergibt. Falls der Integrator 144 ein idealer Integrator wäre, könnte der Motor gemäß Fig. 11 dauernd mit beliebig kleinen Drehzahlen arbeiten und damit beliebige Schwungmassen beschleunigen. Die Praxis hat gezeigt, daß auch die in F i g. 11 dargestellte, sehr einfache Integrierschaltung schon ausreicht um ziemlich große Schwungmassen zuverlässig zu beschleunigen, zum Beispiel Schwungmassen, die bis zum 30fachen des Trägheitsmoments des Rotors 101 betragen können.As soon as the rotor 101 rotates, it induces in the μ · "0 Qn electrically offset Wickiup ** i? 3 * pin" which is integrated in the integrator 144, and then controls the current in the winding 142 so epnung S n, that the moment form 162 according to FIG. 13a results. If the integrator 144 were an ideal integrator, the motor according to FIG. 11 could continuously operate at any desired low speeds and thus accelerate any desired centrifugal masses. Practice has shown that the in F i g. The very simple integrating circuit shown in FIG. 11 is sufficient to reliably accelerate fairly large centrifugal masses, for example centrifugal masses which can be up to 30 times the moment of inertia of the rotor 101 .
Selbstverständlich kann man zum Betrieb des Motors nach F i g. 11 auch die Integrationsschaltungen nach F i g. 1 oder F i g. 5 verwenden, wobei dann nur einer der beiden Ausgänge des Differenz-Verstärkers 54,57 verwendet wird.Of course, you can operate the engine according to FIG. 11 also shows the integration circuits according to FIG. 1 or F i g. 5, in which case only one of the two outputs of the differential amplifier 54, 57 is used.
Falls man bei der Schaltung nach F i g. 11 erreichen will, daß die Integrierschaltung 144 nach dem Abschalten des Motors noch solange mit Strom versorgt wird, bis der Motor zum Stillstand gekommen ist, sieht man zweckmäßig in der Zuleitung zur Integrierschaltung 144 eine Diode 164 in Reihe mit einem Widerstand 165 vor, wobei über diese Diode 164 ein relativ großer Kondensator 166 gespeist wird. Dieser Kondensator 166 lädt sich im Betrieb auf und speist nach dem Abschalten die Integrierschaltung 144 bis zum Stillstand des Motors. Wird also der Motor während des Auslaufens erneut eingeschaltet so ist die Integrierschaltung 144 noch im Betrieb und kann die Steuerung des Stromes in der Wicklung 142 sogleich wieder übernehmen. Die Diode 164 verhindert in dieser Schaltungsvariante, daß Strom vom Kondensator 166 zu den Transistoren 153 und 143 fließtIf in the circuit according to FIG. 11 wants to achieve that the integrating circuit 144 is still supplied with current after the motor has been switched off until the motor has come to a standstill, it is expedient to see a diode 164 in series with a resistor 165 in the supply line to the integrating circuit 144 , with over this diode 164 a relatively large capacitor 166 is fed. This capacitor 166 charges up during operation and, after being switched off, feeds the integrating circuit 144 until the motor comes to a standstill. If the motor is switched on again while it is coasting down, the integrating circuit 144 is still in operation and can immediately take over the control of the current in the winding 142 again. In this circuit variant, the diode 164 prevents current from flowing from the capacitor 166 to the transistors 153 and 143
F i g. 12 zeigt eine weitere Variante zu der Schaltung nach Fig. 11. Der Integrator 170 ist hier wie bei den F i g. 1 und 5 als passiver Integrator ausgebildet und besteht aus einem Kondensator 171 (z. B. 50 Mikrofarad), der über einen Widerstand 172 (z. B. 20 kOhm) aus der Wicklung 123 gespeist wird. Zur Verstärkung der integrierten Spannung am Kondensator 171, die naturgemäß nur sehr klein ist, dient ein Operations-Verstärker 173, der bekanntlich einen hohen Eingangswiderstand von zum Beispiel 1 MOhm hat und daher für diese Aufgabe besonders gut geeignet ist. Die eine Elektrode des Kondensators 171 ist über einen Widerstand 179 an den Ausgang 180 und über einen Widerstand 175 an den Plus-Eingang 176 des Verstärkers 173 angeschlossen, seine andere Elektrode an den Minus-Eingang 177. Ferner ist diese andere Elektrode über einen Kondensator 178, der die Anfangsbedingung für die Integration festlegt, mit der Plus-Leitung 43 verbunden. Der Eingang 176 ist ferner an einen den Arbeitspunkt des Verstärkers festlegenden Spannungsteiler 183, 184 angeschlossen. (Das Verhältnis der Widerstände 175 und 179 bestimmt den Verstärkungsfaktor.) — An den Ausgang 180 ist dieF i g. 12 shows a further variant of the circuit according to FIG. 11. The integrator 170 is here as in FIGS. 1 and 5 are designed as passive integrators and consist of a capacitor 171 (e.g. 50 microfarads) which is fed from the winding 123 via a resistor 172 (e.g. 20 kOhm). An operational amplifier 173, which is known to have a high input resistance of, for example, 1 MOhm and is therefore particularly well suited for this task, is used to amplify the integrated voltage on the capacitor 171, which is naturally only very small. The one electrode of the capacitor 171 is connected through a resistor 179 to the output 180 and via a resistor 175 to the positive input 176 of the amplifier 173, its other electrode connected to the negative input 177. Further, this other electrode via a capacitor 178 , which defines the initial condition for the integration, connected to the plus line 43 . The input 176 is also connected to a voltage divider 183, 184 which defines the operating point of the amplifier. (The ratio of resistors 175 and 179 determines the gain factor.) - At output 180 is the
so Basis eines pnp-Transistors 185 angeschlossen, dessen Emitter an einem Spannungsteiler 186, 187 liegt und dessen Kollektor über einen Widerstand 188 mit der Leitung 42 und direkt mit der Basis eines npn-Leistungstransistors 189 verbunden ist, dessen Emitter an der Leitung 42 liegt und dessen Kollektor über die Wicklung 142 mit der Leitung 43 verbunden ist.so the base of a pnp transistor 185 is connected, the emitter of which is connected to a voltage divider 186, 187 and the collector of which is connected via a resistor 188 to the line 42 and directly to the base of an npn power transistor 189 , the emitter of which is connected to the line 42 and the collector of which is connected to the line 43 via the winding 142 .
Die Schaltung nach F i g. 12 arbeitet wie folgt:
Vor dem Einschalten hat der Motor seine in F i g. 11 dargestellte stabile Ruhelage. Beim Einschalten erhält
der Kondensator 171 über den Start-Kondensator 178 einen Strom-Impuls, der ersteren auf eine definierte
Ausgangsspannung auflädt. Diese Spannung steuert den Verstärker 173 so an, daß die Transistoren 185 und 189
leitend werden und damit der Anlauf des Motors beginnt. Sobald sich der Rotor 101 (F i g. 11) dreht, wird in
der Wicklung 123 eine Spannung induziert, die im Integrierglied 170 integriert wird und die weitere Steuerung
des Verstärkers 173 und damit des Stromes in der einzi-The circuit according to FIG. 12 works as follows:
Before it is switched on, the motor has its position shown in FIG. 11 shown stable rest position. When switched on, the capacitor 171 receives a current pulse via the starting capacitor 178 , which charges the former to a defined output voltage. This voltage controls the amplifier 173 in such a way that the transistors 185 and 189 become conductive and thus the start-up of the motor begins. As soon as the rotor 101 (FIG. 11) rotates, a voltage is induced in the winding 123 , which is integrated in the integrating element 170 and the further control of the amplifier 173 and thus the current in the single
1717th
gen Antriebswicklung 142 übernimmtgene drive winding 142 takes over
Die Integrationsschaltung 170 nach F i g. 12 arbeitet nach dem Abschalten der Versorgungsspannung weiter, so daß diese Integrationsschaltung 170 auch dann sofort die Steuerung des Verstärkers 173 wieder übernehmen kann, wenn der Motor beim Auslaufen erneut eingeschaltet wird. Der dabei entstehende erneute Einschaltimpuls des Kondensators 178 wird in diesem Fall weitgehend unterdrückt Besonders zweckmäßig ist es in diesem Fall, wenn die Zeitkonstante Ä— C der Integrationsschaltung 170 etwa der Zeit entspricht die nach dem Abschalten der Betriebsspannung bis zum Stillstand des Rotors 101 vergehtThe integration circuit 170 of FIG. 12 continues to work after switching off the supply voltage, so that this integration circuit 170 immediately takes over the control of the amplifier 173 again can if the engine is restarted while coasting. The resulting renewed switch-on pulse of the capacitor 178 is largely suppressed in this case. It is particularly expedient in FIG in this case, when the time constant A - C of the integration circuit 170 is approximately the same as the time after the switching off of the operating voltage passes until the rotor 101 comes to a standstill
Die Erfindung ermöglicht also mit einfachen Mitteln eine wesentliche Erhöhung der Betriebstemperatur bei is kollektorlosen Gleichstrommotoren. Durch den Wegfall des für den oder die Hallgeneratoren erforderlichen Steuerstroms wird außerdem der Wirkungsgrad besonders bei kleineren Motoren ganz wesentlich verbessert, so daß auch bei diesen Wirkungsgrade in der Größen-Ordnung von 70% mit der Erfindung ohne besondere Anstrengungen erreichbar sind.The invention thus enables a substantial increase in the operating temperature at is with simple means brushless DC motors. By eliminating the need for the Hall generator or generators Control current, the efficiency is also significantly improved, especially with smaller motors, so that even with these efficiencies in the order of magnitude of 70% with the invention without special Efforts are achievable.
Hierzu 7 Blatt ZeichnungenIn addition 7 sheets of drawings
2525th
3030th
3535
4040
4545
5050
5555
6060
6565
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