DE2452082C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen kollektorlosen Gleichstrommotor nach dem Oberbegriff des An­ spruchs 1. Ein derartiger Motor ist bekannt aus der DE-OS 23 63 632.

Die Schaltungsanordnung betrifft insbesondere kollektorlose Gleichstrommotoren mit Kommutierung durch einen Hallgenerator und vor allem solche mit einem Reluktanzhilfsmoment, welches durch geeignete Aus­ bildung des magnetischen Kreises des Stators erzeugt wird. Solche Motoren sind z. B. in der DE-OS 22 25 442 beschrieben. Solche sogenannten einsträngigen Motoren sind solche, deren Statorwicklung kein Drehfeld, sondern ein Wechselfeld erzeugt.

Bei Motoren der genannten Art hat sich herausgestellt, daß die optimale Kommutierung des Statorstromes besondere Maßnahmen er­ fordert, die bei konventionell aufgebauten Motoren im allge­ meinen nicht erforderlich sind.

Bei der aus der DE-OS 22 25 442 bekannten Schaltung und aus dieser Schrift wird angeregt, daß dort, wo das Reluktanz­ moment stark positiv ist, das elektromagnetische Drehmoment abgesenkt werden sollte. Die Schaltung aus der dortigen Fig. 1 zeigt zwar eine einfache Schaltung, jedoch ist daraus weder ein Hinweis zur Verminderung des Steuerstromes auf den Hallgenerator unter bestimmten Bedingungen noch die Ausnutzung linearer Widerstände und die Kopplung mit Kondensatoren auch nur an­ deutungsweise entnehmbar und somit liegt kein Hinweis auf die Erfindung vor.

Die GB-PS 11 17 329 zeigt Lücken im Einschaltbereich des End­ stufentransistors, d. h. es ist eine Stromreduzierung an sich wohl vorhanden. Sie wird jedoch lediglich durch die Ausnutzung unlinearer Glieder zwischen dem Hall-Element und den angesteuer­ ten Transistoren erzeugt. Dieser Stand der Technik zeigt weder ein Koppelglied gemäß Anspruch 1 noch (gemäß Anspruch 2), daß die Steuerspannung für das Hall-Element nach gewissen Gesichts­ punkten während der Kommutierung abgesenkt werden soll.

Im Prinzip gilt dies auch für die DE-OS 23 63 632. Auch hier sind Stromlücken nachweisbar, es ist aber weder die Kondensatorkopplung in Ver­ bindung mit unlinearen Bauelementen noch die Beeinflussung der Steuerspannung an den Hall-Elementen zur Erzeugung einer Stromreduzierung hier dar­ gestellt oder nahegelegt.

Bekannte opto-elektronische Stellungsmelder, welche die Spulen­ ströme des Stators in Abhängigkeit von der Rotorstellung steuern, geben für jede Statorspule bzw. deren Elektronik ein­ deutige und voneinander unabhängige Signale. Diese Stellungs­ melder haben Hell-Dunkel-Sektoren der Steuerscheibe oder ähnliche Einrichtungen, die die Stromflußwinkel eindeutig und unabhängig voneinander festlegen.

Es ist sowohl eine Überschneidung der Ströme in den Einzel­ spulen als auch eine Pause zwischen diesen ohne weiteres mög­ lich. 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 Stromflußwinkel die gewünschte Größe haben.

Eine weitere bekannte Steuerung über Kontakte, welche von einer Nocke auf der Welle betätigt werden, ermöglicht die Unter­ brechung des Motorstromes im Kommutierungsbereich (US-PS 24 57 637).

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 Kommu­ tierungsschaltung, welche die induzierten Spannungen zur Stellungsmeldung nutzt.

Eine Unterbrechung des Stromflusses während der Kommutierung ist nicht ohne weiteres möglich. Damit ist z. B. bei einem dreisträngigen Motor der Stromflußwinkel auf 120° el festgelegt. Bei einem einsträngigen Motor betrüge er 180° el, d. h. er wäre für einen günstigen Wirkungsgrad zu groß.

Auch wenn man einen sogenannten Hallgenerator als Stellungsmel­ der verwendet, ist der Stromflußwinkel im allgemeinen nicht frei wählbar, denn der Hallgenerator hat bekanntlich zwei Aus­ gangsspannungen, mit denen im allgemeinen zwei Stränge eines viersträngigen Motors gesteuert werden. Diese Ausgangsspannung­ en sind jedoch nicht voneinander unabhängig, sondern verhalten sich, von parasitären Unsymmetrien abgesehen, spiegelbildlich zueinander, d. h. wenn die Ausgangsspannung der einen Klemme (I) gegenüber den Steueranschlüssen steigt, sinkt sie an der anderen Klemme (II) und umgekehrt. Ohne die Spannung an den Steuerklemmen des Hallgenerators zu beeinflussen, ist es folg­ lich nicht möglich, gleichzeitig beide Ausgangsspannungen zu vermindern, um beide an dem betreffenden Hallgenerator ange­ schlossenen Transistoren bzw. Statorspulen zu schalten und eine definierte Stromflußpause während der Kommutierung zu erhalten. Der Stromflußwinkel beträgt daher in einfachen Motorschaltungen mit Hallgeneratoren etwa 180° el, wie dies z. B. Fig. 1 der DE-OS 23 63 632 zeigt.

Die damit zusammenhängenden Nachteile, wie schlechter Wirkungs­ grad und höhere Beanspruchung der elektronischen Bauelemente, sind in einer Druckschrift (Fachzeitschrift: elektri­ sche ausrüstung 1972, S. 21-23) genau dargestellt und eine Schaltung angegeben, bei der der Stromflußwinkel nur 90° el beträgt, wodurch der Wirkungsgrad des Motors verbessert und die Beanspruchung der Bauelemente gegenüber der einfachen Schal­ tung wesentlich vermindert wird. Die dort angegebene Lösung be­ steht 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 Hall­ generatoren liegt. Der Stromflußwinkel in den von den genannten Vorstufen-Transistoren angesteuerten Endstufen-Transistoren beträgt somit 90° el, wenn man von Unsymmetrien der Schaltung absieht. Das in dieser Druckschrift beschriebene Prinzip zur Reduzierung des Stromflußwinkels ist für einen einsträngigen Motor offensichtlich nicht anwendbar, da es darauf beruht, daß der Stromflußwinkel in einer Statorspule gleich dem n-ten Teil des elektrischen Umdrehungswinkels ist, wobei n 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 180° el, d. h. er wäre nicht reduziert, und es treten die genannten Nachteile, wie schlech­ ter Wirkungsgrad und höhere Beanspruchung der Wicklung und ins­ besondere der Endstufen-Transistoren, unvermindert auf.

Die zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Schaltungsan­ ordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine de­ finierte Stromflußpause während der Kommutierung ohne größeren zusätzlichen Aufwand ermöglicht und den Wirkungsgrad und die Laufruhe verbessert, auch die Endstufen-Transistoren entlastet, indem eine ausreichende Reduzierung des Stromflußwinkels er­ reicht wird.

Die Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 oder 2 gelöst.

Dabei ist die Größe des Stromflußwinkels vorteilhafterweise dem Verlauf der induzierten Spannung so anzupassen, daß der Strom­ fluß im Bereich der größten induzierten Spannung auftritt. Wei­ tere Unteransprüche geben den Lösungsweg hierzu an.

Für einen hohen Wirkungsgrad bei kollektorlosen Gleichstrommo­ toren ist es notwendig, daß die einzelnen Statorspulen 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 Drehwinkel von weniger als 180° el fließen, da wegen der unvermeidlichen Pollücken und der magnetischen Streu­ ung die volle Gegen-EMK nie über einen Winkel von 180° el in­ duziert werden kann. Bei etwa sinusförmiger Magnetisierung des Rotormagneten bzw. sinusförmigem Verlauf der Gegen-EMK ist ein Stromflußwinkel unter 120° el anzustreben, während er bei trapezförmigem Verlauf bis ca. 160° el betragen kann, wobei vorausgesetzt ist, daß bei trapezförmiger EMK der konstante Wert höchstens über 160° el andauert.

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 Hallgenerator,

Fig. 2 eine Kommutierungsschaltung mit Hallgenerator, welcher über eine induktiv wirkende Impedanz gespeist wird,

Fig. 3 eine Kommutierungsschaltung mit Hallgenerator, dessen Speisestrom einer aus der induzierten Spannung abgelei­ teten Wechselstrom-Komponente überlagert wird,

Fig. 4 eine Kommutierungsschaltung mit Hallgenerator, welcher eine Differenzstufe steuert, deren Ausgangssignale ei­ nen stark unlinear arbeitenden Endstufenverstärker steuern,

Fig. 5 eine Regelschaltung mit einer getrennten, räumlich ge­ gen die Hauptstatorspulen um 45° el . . . 80° el ver­ setzten Meßspule, welche die Welligkeit der ausgekoppel­ ten Spannung nutzt.

Die DE-OS 24 19 432 zeigt ebenfalls Schaltungsan­ ordnungen, in denen der Erfindungsgedanke in spezieller Weise angewendet wird.

Die Schaltung nach Fig. 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 be­ kannten 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 kleinere Widerstand in Fluß­ richtung der Diodenstrecke 4 bzw. 5 eine Verkürzung der Strom­ flußdauer in dieser Diode (unter 180° el). Damit ist gewähr­ leistet, daß der Kollektorstrom sowohl der Transistoren 4 bzw. 5 als auch der Endstufen-Transistoren 12 bzw. 13 jeweils weni­ ger als 180° el andauert.

Die Schaltung nach Fig. 2 nützt die Tatsache aus, daß die Steuerstrecke eines Hallgenerators 1 ohne Magnetfeld einen wesentlich kleineren Widerstand bildet als im magnetisierten Zustand. Speist man den Hallgenerator 1 aus einer Stromquelle 27 mit vergleichsweise großem differentiellem Innenwiderstand, so bewirkt die genannte Verminderung dieses Widerstandes der Steuerstrecke eine entsprechende Verminderung der Steuer­ spannung und damit der Ausgangsspannungen des Hallgenerators 1, wodurch sowohl Transistor 4 als auch Transistor 5 stromlos wer­ den. Dieser beschriebene feldfreie Zustand am Hallgenerator tritt zum Kommutierungszeitpunkt auf, d. h. wenn sich die Feld­ richtung am Hallgenerator umkehrt, und bewirkt damit die Unter­ drückung des Motorstroms während der Kommutierung.

Um die Ausgangsspannung des Hallgenerators unabhängig von der Temperatur und der Betriebsspannung zu machen, ist eine Speise­ schaltung 27 notwendig, welche nur für die Frequenz der Feld­ änderung einen höheren, differentiellen Widerstand aufweist, für die Frequenz 0 jedoch möglichst eine Spannungsquelle mit kleinem Innenwiderstand bildet. Dies wird durch die Kombination der Elemente 20 bis 24 bewirkt. Der Kondensator 21 ist so be­ messen, daß er für die Feldwechselfrequenz die Steuerstrecken des Transistors 20 unwirksam macht, so daß der differentielle Widerstand der Speiseschaltung 27 im wesentlichen durch den Widerstand 22 gebildet wird, während bei tiefen Frequenzen der Transistor 20 als Impedanzwandler wirkt und den Innenwider­ stand der Speiseschaltung etwa um den Faktor seiner Stromver­ stärkung vermindert.

Die Schaltung nach Fig. 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 Steuerstrom des Hallgenera­ tors 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 ausreichende Steuerspannung, so daß die gewünschte Unterbrechung des Motorstroms während der Kommutie­ rung erreicht wird.

Die Schaltung nach Fig. 4 arbeitet nach folgendem Prinzip:
Die Transistoren 4 und 5 bilden einen Differenzverstärker, welcher durch die Ausgangsspannungen des Hallgenerators 1 ge­ steuert wird und deren Emitterstrom durch den Widerstand 41 sowie durch die Zenerdiode 43 festgelegt ist. Dieser Emitter­ strom 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 10 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 Gleich­ gewichtszustand tritt auf, wenn der Hallgenerator nicht magne­ tisch erregt ist, d. h. zum Zeitpunkt der Feldumkehr. Die be­ schriebene Anordnung bewirkt also ebenfalls eine Unterbrechung oder wenigstens eine wesentliche Verminderung des Motorstroms während der Kommutierung.

Fig. 5 schließlich zeigt eine Schaltung eines Motors mit Dreh­ zahlregelung. In der Hilfswicklung 51 wird eine der Drehzahl proportionale Spannung induziert, welche durch die Brückenschal­ tung 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 Span­ nung und gleichzeitig eine Verschiebung der Phasenlage gegen­ über der Spannung an der Wicklung 53 um wenigstens 45° el. Aus der Spannung des Referenzsignals bzw. Referenzelementes 56 und einem am Potentiometer 57 eingestellten Teil der Drehzahl-pro­ portionalen Spannung am Kondensator 55 wird ein Differenzsignal gebildet, welches in üblicher Weise einem Regelverstärker, be­ stehend aus den Transistoren 50 und 58, zugeführt wird. Die genannte Restwelligkeit wird in diesem Regelverstärker ver­ stärkt und überlagert dem Speisestrom des Hallgenerators einen Wechselanteil, welcher die gewünschte Verminderung bzw. Unter­ brechung des Motorstroms während der Kommutierung bewirkt.

Claims (10)

1. Schaltungsanordnung für einen kollektorlosen Gleichstrom­ motor mit einem permanentmagnetischen Rotor und mit einem eine Statorwicklung aufweisenden Stator, ferner mit zur Steuerung der Bestromung der Statorwicklung in Abhängigkeit von der Stellung des Rotors dienenden, analog wirkenden Hall­ elementen, wobei zur Kommutierung je zweier gegenphasiger Motorstränge ein Hallelement, welches eine der magnetischen Feldstärke und -richtung eines rotorseitigen Steuermagneten proportionale Differenzausgangsspannung aus zwei antivalen­ ten Ausgangsspannungen erzeugt, mit einem Differenzverstär­ ker, der aus den zwei antivalenten Ausgangsspannungen des Hallelements zwei jeweils zugeordnete Endstufen-Transistoren steuert, vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ausgangsklemmen des Hallelements (1) und den nachfolgenden Verstärkerstufen (5 + 12, 4 + 13) des Differenzverstärkers (1, 4, 5; 1, 12, 13) kapazitive Koppelglieder (Kondensatoren 6, 7) vorgesehen sind und daß nichtlinear betriebene Glieder des Differenz­ verstärkers (Diodenstrecken in den Transistoren 4, 5) und ohmsche Widerstände (16, 17) zwischen den die Kommutierung steuernden Ausgängen des Hallelements (1) und den nachfolgen­ den Verstärkerstufen (12, 13) vorgesehen sind.

2. Schaltungsanordnung für einen kollektorlosen Gleichstrom­ motor mit einem permanentmagnetischen Rotor und mit einem eine Statorwicklung aufweisenden Stator, ferner mit zur Steuerung der Bestromung der Statorwicklung in Abhängigkeit von der Stellung des Rotors dienenden, analog wirkenden Hall­ elementen, wobei zur Kommutierung je zweier gegenphasiger Motorstränge ein Hallelement, welches eine der magnetischen Feldstärke und -richtung eines rotorseitigen Steuermagneten proportionale Differenzausgangsspannung aus zwei antivalenten Ausgangsspannungen erzeugt, mit einem Differenzverstärker, der aus den zwei antivalenten Ausgangsspannungen des Hall­ elements zwei jeweils zugeordnete Endstufen-Transistoren steuert, vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspannung des Hall­ elements (1) im Bereich des theoretischen Kommutierungszeit­ punkts reduziert wird.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Hallelement (1) aus einer Konstantstromquelle (27) gespeist wird, wobei seine Steuer­ anschlüsse an einem Zweipol (25, 26 des Transistors 20) der Konstantstromquelle geschaltet ist, welcher bei der Schalt­ frequenz der Statorströme als Stromquelle mit vergleichs­ weise großem, differentiellem Widerstand wirkt, für die Frequenz Null jedoch eine Spannungsquelle mit vergleichs­ weise kleinem Innenwiderstand bildet (Fig. 2).

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Motor mit Drehzahl­ regelung die Welligkeit der mit Hilfe von Dioden (34, 35) ausgekoppelten rotatorisch induzierten Spannung dem Steuer­ strom des Hallelements (1) überlagert wird, so daß die nachfolgenden Verstärkerstufen (Transistoren 12, 13) keine für eine Durchschaltung ausreichende Steuerspannung erhalten (Fig. 3).

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Stator eine Hilfswick­ lung (51) vorgesehen ist, deren rotatorisch induzierte Spannung gleichgerichtet wird und den Steuerstrom des Hall­ elements (1) über einen Regelverstärker (Transistoren 50, 58) beeinflußt.

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterbrechung bzw. Schwächung des Wicklungsstromes einen Zeitraum einnimmt, der sich vor­ zugsweise annähernd symmetrisch vor und nach jenem Zeitpunkt erstreckt, zu welchem die rotatorisch in den Statorwick­ lungen induzierte Spannung den Wert Null durchläuft.

7. Schaltunsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Reduzierung des Statorstromes bei annähernd trapezförmiger, räumlicher Ver­ teilung die Erregerinduktion etwa der Anstiegs- bzw. der Abfallzeit der annähernd trapezförmigen, rotatorisch in­ duzierten Spannung entspricht.

8. Schaltungsanordnung zum Betrieb eines Motors nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf seinen Rotor über einer Umdrehung ein gegenüber dem elektrodynamisch erzeug­ ten Motormoment am Umfang versetztes Hilfsmoment, insbeson­ dere ein Reluktanzmoment, wirkt und seine Rotormagnetisie­ rung einen trapezförmigen Verlauf hat, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduzierung über einem elektrischen Winkel erfolgt, der etwa 20° el. oder mehr beträgt.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, wobei der kollektor­ lose Gleichstrommotor einen sinusförmigen Verlauf seiner Rotormagnetisierung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduzierung über einem elektrischen Winkel erfolgt, der etwa 60° el. oder mehr beträgt.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, wobei der kollektor­ lose Gleichstrommotor einen trapezförmigen Verlauf seiner Rotormagnetisierung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduzierung über einem elektrischen Winkel erfolgt, der etwa 20° el. oder mehr beträgt.