DE2452082A1 - Kollektorloser gleichstrommotor mit einstraengiger statorwicklung - Google Patents
Kollektorloser gleichstrommotor mit einstraengiger statorwicklungInfo
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Description
Papst-Motoren KG 3o.Ιο. 1974
St.Georgen/Schw. DT-187
Kollektorloser G-I ο i chs trommotor
mit ei as trängiοer ίtatorwick1ung
Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen Gleichstrommotor
mit ei ns trängiger Statorwicklung, welche ein reines Wechsel feid
erzeugt, mit permenanetmagnetischem Rotor und mit einer elektronischen
Kommutierungseinrichtung, welche durch einen Hallgenerator
oder ein äquivalentes Element in Abhängigkeit von der Rotorstellung
gesteuert wird.
Sie betrifft insbesondere Motoren mit Kommutierung durch einen
Hall generator und weiter solche mit einem ReI uktanzhi 1 fsnioment,
welches durch geeignete Ausbildung des magnetischen Kreises des Stators erzeugt wird. Solche Motoren sind z.B. in der DT-OS
22 25 442 beschrieben.(Unter einsträngigen Motoren seien solche
verstanden, deren Statorwicklung kein Drehfeld sondern ein Wechsel
feid erzeugt.)
Bei Motoren der genannten Art hat sich herausgestellt, daß die
optimale Kommutierung des Statorstromes besondere Maßnahmen erfordert,
die bei konventionell aufgebauten mehrsträngigen Motoren
im allgemeinen nicht erforderlich sind.
Bekanntlich ist es zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades bei
kollektorlosen Gleichstrommotoren überhaupt notwendig, daß die
einzelnen Stators-pul en des kollektorlosen Gleichstrommotors
möglichst nur dann vom Strom durchflossen sind, wenn in diesen eine ausreichende Gegen-EMK induziert wird. In einem Wicklungsstrang soll der Strom also nur über einen Drehwinkcl von weniger
als 18o° -j fließen, da wegen der unvermeidlichen Pollücken und
der magnetischen Streuung die volle Gegen-EMK nie über einen Winkel von 18o -, induziert werden kann. Bei etwa sinusförmiger
Magnetisierung des Rotormagneten bzw. sinusförmigem Verlauf der
Gegen-EMK ist ein Stromflußwinkel unter 12o° , anzustreben, wäh-
el
rend er bei trapezförmigem Verlauf bis ca. 16o° , betragen kan.n,
wobei vorausgesetzt ist, daß bei trapezförmiger EMK der konstante
Wert höchstens über 16o -, andauert.
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3o. To. 1974- ' 2 - DT-187
Zunächst se. der bekannte Fall betrachtet, daß Stellungsmelder,
welche die Spulenströme des Stators in Abhängigkeit von der
RotorstelΊung steuern,für jede Statorspule bzw. deren Elektronik
eindeutige und voneinander unabhängige Signale abzugeben in der
Lage sind. Zu diesen Stellungsmeldern gehören die opto-elektronischen
Melder, bei denen HeI1-Dunkel-Sektoren der Steuerscheibe
oder ähnliche Einrichtungen die Stromf1ußwinkel eindeutig und
unabhängig voneinander festlegen.
Es ist sowohl eine Überschneidung der Ströme in den Einzelspul cn
als auch eine Pause zwischen diesen ohne weiteres mügiieh.
Ähnlich verhalten sich andere bekannte Stellungsmelder, die auf
dem Prinzip der HF-Übertragung beruhen und bei denen die die HF-Schwingungen abschirmenden Blenden oder die die Kopplung begünstigenden
Ferrit-Sektoren so gestaltet werden können, daß die Stromf1ußwinkel die gewünschte Größe haben.
Beide genannten Prinzipien können auch für einsträngige Motoren
angewendet werden und di'e ο. g. Bedi ngung erfüllen, indem die steuernden
Sektoren oder Blenden so gestaltet werden, daß in Bereich
der Kommutierung der Motor stromlos gemacht wird, d.h. eine dem Verlauf der induzierten Gegenspannung angepasste Pause im Stromflußbewirktwird.
Eine weitere bekannte Steuerung über Kontakte, welche von einer iJocke auf der Welle betätigt werden, ermöglicht di e- Unterbrechung
des Motorstromes im Kommutierungsbereich.
Anders verhalten sich noch weitere bekannte Stellungsmelder, die
keine eindeutigen und voneinander unabhängigen Signale an die einzelnen Eingänge der Endstufen-Transistoren abgeben können.
Zu diesen gehört z.B. eine ebenfalls bekannte Kommutierungsschaltung,
welche die induzierten Spannungen zur Stellungsmeldung
nutzt.
Damit nun ein Motor der genannten Art anlaufen kann, muß die
Schaltung so ausgelegt sein, daß auch im Stillstand, d.h. ohne .
Kornmutierungssi gnal , eine Kommutierung des Stromes von einer
Statorspule zur nächsten erfolgt-. Die Kommutierung erföl gt daher
dadurch, daß das Abschalten einer Spule das Einschalten der nächsten
bewirkt.
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BAD ORIGINAL
3o.To.1974 3 - DT-187
Eine Unterbrechung des Stromflusses während der Kommutierung ist
nicht ohne weiteres möglich. Damit ist z.B. bei einem dreisträngigen Motor der Stromflußwinkel auf 12o° , festgelegt. Bei
einem einsträngigen Motor betrüge er 18o° -, , d.h. er wäre für
einen günstigen Wirkungsgrad zu groß.
Auch wenn man einen sogenannten Hallgenerator als Stellungsmelder
verwendet, ist der Stromflußwinkel im allgemeinen nicht frei wählbar,
wie in folgendem näner erläutert werden soll.
Der Hai 1 generator hat bekanntlich zwei Ausgangsspannungen, mit
denen im al 1 gemeinen- zwei Stränge eines viersträngigen Motors
gesteuert werden. Diese Ausgangsspannungen sind jedoch nicht voneinander
unabhängig, sondern verhalten sich, von parasitären Unsymmetrien abgesehen, spiegelbildlich zueinander, d.h. wenn die
Ausgangsspannung der Klemme I gegenüber den Steueranschlüssen
steigt, sinkt sie an der Klemme II,und umgekehrt. Ohne die Spannung
an den Steuerklemmen des Hai 1 generators zu beeinflussen, ist
es folglich nicht möglich, gleichzeitig beide Ausgangsspannungen zu vermindern, um beide an dem betreffenden Hal I generator angeschlossenen
Transistoren bzw. Statorspulen zu schalten und.eine definierte Stromflußpause während der Kommutierung zu erhalten.
Der Stromflußwinkel beträgt daher in einfachen Motorschaltungen
mit Hai 1 generatoren etwa 18o -, , wie dies eine weiter bekannte
Offenlegungsschrift darlegt.
Die damit zusammenhängenden Nachteile, wie schlechter Wirkungsgrad
und höhere Beanspruchung der elektronischen Bauelemente,
sind ebenfalls in der bekannten Druckschrift genau dargestellt und eine Schaltung angegeben, bei der der Stromflußwinkel nur
9o° -, beträgt, wodurch der Wirkungsgrad des Motors verbessert
und die Beanspruchung der Bauelemente gegenüber der einfachen Schaltung wesentlich vermindert wird. Die dort angegebene Lösung
besteht darin, daß die vier Vorstufen-Transistoren durch einen
gemeinsamen Emitter-Widerstand einen 4fach-Differenzverstärker
bilden, so daß nur derjenige Vorstufen-Transistor leitend wird,
der an der höchsten (der vier) Ausgangsspannung der zwei Hallgeneratoren
liegt. Der Stromflußwinkel in den von den genannten Vor-
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DT-187
stufen-Transistoren angesteuerten Endstufen-Transistoren beträgt
somit 9o°ei , wenn man von Unsymmetrien der Schaltungen absieht.
Das in dieser Druckschrift beschriebene Prinzip zur Reduzierung des Stromflußwinkels ist für einen ei nsträngigen Motor offensichtlich
nicht anwendbar, da es darauf beruht, daß der Stromflußwinkel in einer Statorspule gleich dem η-ten Teil des elektrischen
Umdrehungswinkels ist, wobei η die Zahl der zu einer Differenzstufe
zusammengefassten Transistoren ist. Für den einsträngigen
Motor mit nur zwei Transistoren in der Vor-oder Endstufe beträgt dieser Winkel also 18o -, , d.h. er wäre nicht reduziert,
und es treten die genannten Nachteile, wie schlechter
Wirkungsgrad und höhere Beanspruchung der Wicklung und insbesondere
der Endstufen-Transistören, unvermindert auf.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Anordnungen für die eingangs genannten Gleichstrom-Motoren zu schaffen, die ohne
größeren zusätzlichen Aufwand den Wirkungsgrad und die Laufruhe verbessern, auch die Endstufen-Transistoren zu entlasten.
Die Aufgabe wird nach dem Kennzeichen des Hauptanspruchs gelöst. Es geht dabei um eine ausreichende Reduzierung des Stromflußwinkels
je Stranghälfte auf Werte deutlich unter 18o° ·, .
Dabei ist die Größe des Stromflußwinkels vorteilhafterweise dem
Verlauf der induzierten Spannung so anzupassen, daß der Stromfluß
im Bereich der größten induzierten Spannung auftritt. Wei tere Unter-Ansprüche geben den Lösungsweg hierzu an.
Die Figuren und ihre Beschreibung zeigen verschiedene, auch
Weiterbildungen darstellende Ausführungsbeispiele der Erfindung,
welche, auch in Verbindung mit den weiteren Unteransprüchen, vorteilhafte Anordnungen offenbaren:
Fig. 1 Eine Kommutierungsschaltung mit Kopplung der Vorstufe-Transistoren
über Kondensatoren an den Hai 1 generator,
Fig. 2 eine Kommutierungsschaltung mit Hai 1 generator, welcher
über eine induktiv wirkende Impedanz gespeist wird,
Fig. 3 eine Kommutierungs sch al tung mit Hallgenerator, dessen
Speisestrom einer aus der induzierten Spannung abgelei-
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teten Wechselstrom-Komponente überlagert wird,
Fig. 4 eine Kommutierungsschaltung mit Hal I generator, welcher
eineDifferenzstufe steuert, deren Ausgangssignaleeinen
stark unlinear arbeitenden Endstufenverstärker steuern,
Fig. 5 eine Regelschaltung, welche die Welligkeit der ausgekoppel
ten, induzierten Spannung zur Erzeugnung von Strompausen nutzt und einen Phasenschieber enthält (entsprechend
Fig.6 der DT-OS 22 52 727 der Anmelderin, welche dort
auch ausführlich beschrieben ist),
Fig. 6 eine Regelschaltung, welche eine Frequenzweiche und eine
Phasenumkehrstufe enthält nach Fig. 6 der DT-OS 22 52
der Anmelderin, deren funktion dort ausführlich beschrieben ist,
Fig. 7 eine Regelschaltung mit einer getrennten, räumlich gegen
die Hauptstatorspulen um 45° -, ... 8ο0·, versetzten Meßspule,
welche" die WeTIi gk-e it der ausgekoppelten Spannung
nutzt.
Die deutsche Patentanmeldung P 24 19 432.9 zeigt ebenfalls Anordnungen,
in denen der Er'f i ndungs gedanke, jedoch in spezieller Weise,
angewendet wird.
Die Schaltung nach Fi g. 1- arbeitet nach folgendem Prinzip:
Die Parallel-Schaltung aus einer Diodenstrecke, wie sie die
Basis - Emitterstrecke der Transistoren 4 und 5 darstellt, mit einem ohmschen Widerstand 16 bzw. 17 stellt einen an sich bekannten unlinearen Widerstand dar, welcher durch Spannungen, die der
Flußrichtung der Diodenstrecke entgegengesetzt sind, dem ohmschen
Widerstand entspricht, während er für Spannungen, die größer als die Schwellenspannung der Diode sind, einen kleineren Widerstand
bildet.
Speist man einen derartigen unlinearen Widerstand über einen Kondensator
7 bzw. 8, z.B. mit einer sinusförmigen Spannung, so bewirkt
der vergleichsweise kielnere Widerstand in Flußrichtung der
Di odens trecke 4 bzw. ,5 eine. Verkürzung der Stromflußdauer in dieser
Diode (unter 18o° -,). Dami t ist gewährleistet, daß der Kollek-
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torstrom sowohl der Transistoren 4 bzw. 5 als auch der Endstufen-Transistoren
12 bzw. 13 jeweils weniger als 18o° ■, andauert.
Die Schaltung nach F i g.2 nützt die Tatsache aus, daß die Steuer- ■
strecke eines Hai 1 generators 1 ohne Magnetfeld einen wesentlich kleineren Widerstand bildet als im magneti si erten Zus ~;?.nd. Spei s t
man den Hallgenerator 1 aus einer Stromquelle 27 mit vergleichsweise
großem differentiel 1 em Innenwiderstand, so bewirkt die genannte
Verminderung dieses Widerstandes der Steuerstrecke eine
entsprechende Verminderung der Steuerspannung und damit der Ausgapeisspannungen
des Hai 1 generators 1, wodurch sowohl Transistor als auch Transistor 5 stromlos werden. Dieser beschriebene feldfreie
Zustand am Hai 1 generator tritt zum Kommutierungszeitpunkt
auf, d.h.wenn sich die Feldrichtung am Hai 1 generator umkehrt,und
bewirkt damit die Unterdrückung des Motorstroms während der Kommutierung.
Um die Ausgangsspannung des Hai 1 generators unabhängig von der
Temperatur und der Betriebsspannung zu machen, ist eine Speiseschaltung
27 notwendig, welche nur für die Frequenz der Feldänderung
einen höheren, differentiel 1 en Widerstand aufweist, für die
Frequenz 0 jedoch möglichst eine Spannungsquelle mit kleinem
Innenwiderstand bildet. Dies wird durch die Kombination der Elemente
2o bis 24 bewirkt. Der Kondensator 21 ist so bemessen, daß er für die FeIdwechselfrequenz die Steuerstrecken des Transistors
2o unwirksam macht, so daß der differentiel 1e Widerstand der
Speiseschaltung 27 im wesentlichen durch den Widerstand 22. gebitdet
wird, während bei tiefen Frequenzen der Transistor 2o als Impedanzwandler wirkt und den Innenwiderstand der Speiseschaltung
etwa um den Faktor seiner Stromverstärkung vermindert.
Die Schaltung nach F i g.3 benutzt die in deren Wicklungen 3 und 4
rotatorisch induzierten Wechselspannungen, aus denen mit Hilfe der
Dioden 34 und 35 eine Wechselspannung doppelter Frequenz gebildet
wird, welche dem Steuerstron ^ss Hai 1 generators 1 überlagert
wird, um den Steuerstrom jeweils während der Zeitabschnitte zu reduzieren,
in denen in den Wicklungen 3 und 4 keine oder nur eine
geringe Spannung induziert wird. Dadurch erhalten die Transistoren
12 und 13 ebenfalls während dieser Zeitabschnitte keine aus-
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- 7 - 3ο.Ιο.1974
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reichende Steuerspannung, so daß die gewünschte Unterbrechung des Motorstroms während der Kommutierung erreicht wird.
Die Schaltung nach Fi g.4 arbeitet nach folgendem Prinzip:
Die Transistoren 4 und 5 bilden einen Differenzverstärker, welcher"
durch die Ausgangsspannungen des Hai 1 generators 1 gesteuert wird
und deren Emitterstrom durch den Widerstand 41 sowie durch die Zenerdiode 43 festgelegt ist. Dieser Emitterstrom ist so gewählt,
daß er für den Gleichgewichtsfall der Differenzstufe, d.h.wenn
er sich auf die Kollektorströme der Transistoren 3 und 4 gleichmäßig
verteilt, an den Widerständen Io und 11 je einen Spannungsabfall bewirkt, der unter der Schwellenspannung der Transistoren
12 und 13 liegt, so daß keiner dieser Transistoren leitend wird. Der genannte Gleichgewichtszustand tritt auf, wenn der Hallgenerator
nicht magnetisch erregt ist, d.h. zum Zeitpunkt der Feldumkehr. Die beschriebene Anordnung bewirkt also ebenfalls eine
Unterbrechung oder wenigstens eine wesentliche Verminderung des Motorstroms während der Kommutierung.
Fig.7 schließlich zeigt eine Schaltung eines Motors mit Drehzahlregelung.
In der Hilfswicklung 51 wird eine der Drehzahl proportionale
Spannung induziert,.welche durch die Brückenschaltung 52
gleichgerichtet und mit dem Widerstand 53 belastet wird. Die
R-C-Kombination aus dem Widerstand 54 und dem Kondensator 55
bewirkt eine teilweise Glättung der gleichgerichteten Spannung
und gleichzeitig eine Verschiebung der Phasenlage gegenüber der Spannung an der Wicklung 53 um wenigstens 45° ,. Aus der Spannung
des Referenzsignals bzw. Referenzelementes 56 und einem am Potentiometer
57 eingestellten Teil der Drehz.ahl-proportionalen Spannung
am Kondensator 55 wird ein Di^ferenzsignal gebildet, welches
in üblicher Weise einem Regel verstärker, bestehend aus den Transistoren
5o und 58, zugeführt wird. Die genannte Restwel1igkeit
wird in diesem Regel verstärker verstärkt und überlagert dem Speisestrom des Hallgenerators einen Wechselantei1 , welcher die gewünschte
Verminderung bzw. Unterbrechung des Motorstroms während der Kommutierung bewirkt.
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Claims (10)
1. Kollektorloser Gleichstrommotor mit einsträngiger Statorwicklung,
welche ein reines Wechselfeld erzeugt, mit permanentmagnetischem
Rotor mit einer elektronischen Kommutierungseinrichtung,
welche durch einen Hallgenerator oder ein äquivalentes Element, in Abhängigkeit von der Rotorstellung
gesteuert wird, insbesondere nach der DT-OS 2 225 442, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische und/oder magnetische
Mittel (6,7; 20 bis 26; 31 bis 36; 41,42,43; 50 bis 58) vorgesehen sind, welche den Stromfluß in der Statorwicklung
(2,3) kurz vor dem theoretischen Kommutierungszoitpunkt
unterbrechen,bezw. stark vermindern und erst nach
dem theoretischen Kommutierungszeitpunkt wieder einschalten,
bezw. verstärken.
2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Unterbrechung bezw. Schwächung des Wicklungsstromes einen
Zeitraum einnimmt, der sich vorzugsweise annähernd symmetrisch vor und nach jenem Zeitpunkt erstreckt, zu welchem die rotatorisch
in den Statorwicklungen induzierte Spannung den Wert
Null durchläuft.
3. Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Dauer der Unterbrechnung des Statorstromes bei annähernd
trapezförmiger, räumlicher Verteilung die Erregerinduktion
etwa der Anst i egs-bezw. der Abfal-Izeit der annähernd trapezförmigen
rotatorisch induzierten Spannung entspricht.
4. Motor nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß auf seinen Rotor über erner Umdrehung eingegenüber
dem elektrodynamisch erzeugten Motormoment am Umfang versetztes
Hi1fsmoment, insbesondere ein ReIuktanzmoment, wirkt.
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.<}. DT - 187
5. Kollektorloser Gleichstrommotor nach einem der vorstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, ia3 zwischen den Ausgangsklemmen
des Hallgenerators (1), be zw. eines äquivalenten
Elementes und den nachfolgenden Verstärkerstufen
(5+12, 4+13) kapazitive Koppelglieder (6.7) vorgesehen sind.
(Fig. 1)
6. ,-lotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, da3 die
Signalspannungen des Hallgenerators (1) über diese -kapazitiven
Kopplungsglieder (6,7) nicht lineare, vorzugsweise
zu Null unsymmetrische Widerstände (4+16) spe--'.'.·■;, wodurch
in an sich bekannter Weise aus den ursprünglich symmetrischen
Spannungsver1 aufen unsymmetrische Spannungsverläufe gcU det
werden .
. i'iotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Unsymmetrie
der Spannungs ver 1 auf e derart gewählt ist, daß d '. '-'■-Einschaltdauer
jedes der beiden Endstufentransistoren -'·. ? "}
stets unter 50.. liegt.
c. Kollektorloser Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche
1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerstrecke des Hallgenerators
(1) an einen Zweipol (2 5,26 von 20) geschaltet ist,
welcher bei der Schaltfrequenz der Statorströme als Stromquelle mit vergleichsweise großem, differentiel 1 em Widerstand
wirkt, für die Frequenz Null jedoch eine Spannungsque". 'e mit
vergleichsweise kleinem Innenwiderstand bildet.
9. Kollektor Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 'es i,
dadurch gekennzeichnet,.daß bei einem Motor mit Drehzahl
regelung die Welligkeit der π i t Hilfe von Dioden (34,35)
in an sich bekannter Weise ausgekoppelten rotatorisch induzierten
Spannung dem Steuerstrom des Hai 1 generators (1) oder
eines äquivalenten Elementes überlagert wird, derart, daß i"
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ßAD ORIGINAL
- ί - 30.10.74
./to. DT-187
Bereich des theoretischen Kommutierungs zeitpunktes der
Wicklungsstrom vermindert bezw. unterbrochen wird.
10. KoI1ektoloser Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche
1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Stator eine
Hilfswicklung (51) vorgesehen ist, deren rotatorisch induzierte
Spannung gleichgerichtet wird und den Steuerstrom
des Hallgenerators (1) , b e ζ w . eines äquivalenten Elementes
so steuert, daß der Wicklungsstrom in der gewünschten Weise
während der Kommutierung vermindert, bezw. unterbrochen wird
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Hi
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DE2452082C2 DE2452082C2 (de) | 1988-06-30 |
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