DE3704235A1

DE3704235A1 - Motor

Info

Publication number: DE3704235A1
Application number: DE19873704235
Authority: DE
Inventors: Nobuo Katsumura
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 1986-02-12
Filing date: 1987-02-11
Publication date: 1987-08-13
Also published as: GB8703226D0; JPS62189945A; GB2186377A; US4788497A; GB2186377B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Motor mit einem Kollektor und einer Bürste zum Zuführen von Strom und insbesondere einen Motor mit einer Einrichtung, welche Drehinformation, die eine Drehposition und eine Drehgeschwindigkeit darstellt, abgeben kann.

Konventionelle Motoren mit Kollektor und Bürste zum Zuführen von Strom haben keine Einrichtung, die Drehinformation bezüglich einer Drehposition und einer Drehgeschwindigkeit abgeben könnte. Das heißt, bei konventionellen Motoren gibt der Motor als solcher keine Drehinformation ab. Nachdem die Drehinformation vom Motor selbst nicht erhalten werden kann, muß aus diesem Grunde ein Drehnachweisgerät wie beispeilsweise ein Drehkodierer außerhalb des Motors vorgesehen sein, um den Motor mit einer konstanten Geschwindigkeit anzutreiben oder ihn über einen vorbestimmten Winkelbereich zu rotieren. Mit dieser Anordnung jedoch wird das aus Motor und Drehnachweisgerät bestehende System im Vergleich zum Motor selbst insgesamt vergrößert, was zu hohen Kosten führt.

Die vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung der vorgenannten Erwägungen gemacht und ihr liegt die Aufgabe zugrunde, durch geringfügige Änderung einer konventionellen Motoranordnung einen Motor zu schaffen, der Drehinformation abgeben kann.

In anderen Worten liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ohne Vergrößerung der Motorgröße und ohne die Kosten deutlich zu erhöhen, einen Motor zu schaffen, der selbst dann kein Drehnachweisgerät wie beispielsweise einen Drehkodierer benötigt, wenn der Motor mit konstanter Geschwindigkeit betrieben werden soll oder um einen vorbestimmten Winkelbereich rotiert werden soll. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist bei einem Motor mit einem Kollektor und einer Bürste zum Zuführen von Strom zumindest ein Pol des Kollektors mit der Drehwelle des Motors elektrisch verbunden, um Drehinformation nachzuweisen.

Im folgenden werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Gleichstrommotor- Anordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel eines Motors nach der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2A und 2B Schnittansichten, die elektrische Verbindungszustände zwischen einer Ankerwicklung und einem Kollektor des erfindungsgemäßen Motors zeigen, wobei in Fig. 2A eine Dreieckschaltung und in Fig. 2B eine Sternschaltung gezeigt ist,

Fig. 3 eine schematische Ansicht einer Drehinformations- Nachweiseinrichtung des erfindungsgemäßen Motors,

Fig. 4A und 4B äquivalente Schaltbilder der Ankerwicklung des erfindungsgemäßen Motors, wobei Fig. 4A eine Dreieckschaltung und Fig. 4B eine Sternschaltung zeigen,

Fig. 5 eine graphische Darstellung einer Ausgangs-Wellenform des Gleichstrommotors gemäß Fig. 1,

Fig. 6A bis 6C Schaltbilder, die Beispiele einer im erfindungsgemäßen Motor verwendeten Filterschaltung zeigen,

Fig. 7A bis 7C graphische Darstellungen der Ausgangs-Wellenformen zur Erklärung einer Funktion der Filterschaltung,

Fig. 8 eine perspektivische Darstellung eines wichtigen Teils einer anderen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Motors,

Fig. 9A bis 9D schematische Ansichten der Leitungszustände einer weiteren alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Motors, und

Fig. 10A bis 10C graphische Darstellungen der Ausgangs- Wellenformen bei Anwendung der vorliegenden Erfindung an einen Universalmotor.

Fig. 1 zeigt eine Anordnung eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel bezieht sich auf einen Gleichstrommotor unter Verwendung einer Ankerwicklung mit einem Rotor mit drei Schlitzen (drei Polen) und zwei Permanentmagneten für einen Stator. In Fig. 1 bezeichnet die Bezugsziffer 1 einen Magneten, welcher in einer vorbestimmten Richtung magnetisiert ist, die Bezugsziffer 2 einen Anker, der innerhalb des Magneten angeordnet ist und um den herum eine Ankerwicklung 2 W gewickelt ist, die Bezugsziffer 3 eine Drehwelle aus leitfähigem Material, die einstückig mit dem Anker verbunden ist, und die Fig. 4 und 5 Lager für die Drehwelle. Bei diesem Gleichstrommotor dient der Magnet 1 als Stator und der Anker 2 rotiert gemeinsam mit der Drehwelle 3. Von den Lagern 4 und 5, welche die Drehwelle 3 tragen, ist das Lager 4 aus leitendem Material hergestellt und an einem Gehäuse 6 befestigt, welches ebenfalls aus leitendem Material besteht. Das Lager 5 ist an einem Isolierglied 7 befestigt, welches die Öffnung des Gehäuses 6 abdeckt. Die Bezugsziffer 8 bezeichnet einen dreipoligen Kollektor, welcher mit äußeren Anschlüssen A und C über Bürsten 9 a und 9 b verbunden ist, und die äußeren Anschlüsse A und C sind mit einer Gleichstrom-Versorgungsquelle 11 verbunden. Es wird angenommen, daß ein Spannungswert der Gleichstrom- Versorgungsquelle 11 V _B ist. Die Ankerwicklung 2 W des Ankers 2 ist mit den drei Polen des Kollektors 8 in folgender Weise verbunden: Wenn die Ankerwicklung 2 W über eine Dreiecksschaltung verbunden ist, wie dies in Fig. 2A dargestellt ist, so sind die Verbindungspunkte P 1, P 2 und P 3 der Windungen W 1, W 2 und W 3 mit den drei Polen m ₁, m ₂bzw. m ₃ des Kollektors 8 verbunden. Im Falle einer Sternschaltung, wie sie in Fig. 2B gezeigt ist, sind die Enden der Wicklungen W 1, W 2 und W 3 miteinander im Punkt N verbunden und die anderen Enden Q 1, Q 2 und Q 3 sind mit den Polen m ₁, m ₂ bzw. m ₃ des Kollektors 8 verbunden. Die Ankerwicklung 2 W erhält Strom von den oben genannten äußeren Anschlüssen A und C über die Bürsten 9 a und 9 b und den Kollektor 8. Die Bezugsziffer 10 bezeichnet ein leitendes Glied, welches einen der drei Pole des Kollektors 8 mit der Drehwelle 3 verbindet, und das Gehäuse 6 ist mit einem der Pole des Kollektors 8 über das leitende Glied 10, die Drehwelle 3 und das Lager 4 elektrisch verbunden. Ein Anschluß B für das Gehäuse 6 ist mit einer Filterschaltung 12 verbunden und ein Ausgangssignal aus der Filterschaltung 12 dient als Drehinformations-Signal.

Fig. 3 zeigt einen Zustand, bei dem der Kollektor die Bürsten 9 a und 9 b kontaktiert. Der Kollektor 8 wird von drei Polen m ₁, m ₂ und m ₃ gebildet und der in Fig. 3 schraffierte Pol m ₃ ist über das leitende Glied 10 mit der Drehwelle 3 verbunden. Die Bürste 9 a ist unter einer Spannung V _B an die Gleichstrom-Versorgungsquelle 11 gelegt und die Bürste 9 b ist mit einem G-Anschluß an der Erdseite verbunden.

Im folgenden wird eine Funktionsweise des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschrieben. Es wird angenommen, daß sich der Kollektor 8 zusammen mit der Drehwelle 3 in Fig. 3 im Gegenuhrzeigersinn bewegt. Während der Pol m ₁ des Kollektors 8 die Bürste 9 b während einer 1/3 Periode kontaktiert, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist, befindet sich der Pol m ₁ auf Erdpotential G. Während der nächsten 1/6 Periode befindet sich der Pol m ₁ in einem nichtkontaktierenden Zustand, d. h. der Pol m ₁ des Kollektors 8 kontaktiert weder die Bürste 9 a noch die Bürste 9 b. Während der nächsten 1/3 Periode kontaktiert der Pol m ₁ die Bürste 9 b und befindet sich daher auf positivem Potential V _B. Während der nächsten 1/6 Periode befindet sich der Pol m ₁ wiederum in nichtkontaktierendem Zustand.

In Abhängigkeit zwischen der gewählten Verbindung zwischen dem Kollektor 8 und der Ankerwicklung 2 W ist ein Potential des Pols m ₁ im nichtkontaktierenden Zustand wie folgt:

Nachdem es zwei Verbindungsmöglichkeiten gibt, d. h. die Dreieckschaltung und die Sternschaltung, wie in Fig. 2A bzw. 2B dargestellt, muß der nichtkontaktierende Zustand des Pols m ₁ unter Berücksichtigung der beiden vorgenannten Verbindungsarten betrachtet werden. In diesen Fällen kontaktieren die Pole m ₂ und m ₃ die Bürsten 9 a bzw. 9 b. Es wird angenommen, daß ein Potential des Pols m ₁ V ₀ ist; entsprechende Schaltbilder für diese nichtkontaktierenden Zustände bei Dreieckschaltung und bei Sternschaltung sind in den Fig. 4A bzw. 4B gezeigt. Wie aus diesen äquivalenten Schaltungsbildern ersichtlich ist, ist die Spannung V ₀, die am Pol m ₁ auftritt, unabhängig von der jeweiligen Verbindungsart V _B/2, wenn eine in der Ankerwicklung 2 W bei der Rotation des Ankers induzierte Spannung vernachlässigt wird. Dementsprechend ist das am Gehäuse 6 vom Pol m ₁ über das leitende Glied 10 und die Drehwelle 3 erzeugte Potential dasjenige, das in Fig. 5 dargestellt ist.

Nachdem ein am Gehäuse 6 auftretendes Pulssignal über die Verbindungsleitung B abgeführt wird, kann Drehinformation wie beispielsweise Positionsinformation oder Geschwindigkeitsinformation erhalten werden, indem die Anzahl oder die Abstände der Pulssignale gemessen werden oder indem das Signal geglättet wird, um seinen Spannungspegel zu messen. Die Anzahl oder die Abstände der Impulse können mittels gängiger Einrichtungen einfach gemessen werden.

Im allgemeinen beinhaltet das in Fig. 7A gezeigte Drehinformationssignal des Motors, welches vom Anschluß B des Motors abgegriffen wird, ein Störrauschen. Wenn daher Rotationsinformation, welche vom Anschluß B abgegriffen wurde, direkt in einen Zähler gegeben wird, so kann dieser Zähler fehlerhaft arbeiten. Aus diesem Grunde wird ein am Anschluß B abgegriffenes Drehinformationssignal einer Filterschaltung 12 zugeführt, um das Störrauschen zu entfernen. Als Ergebnis wird das aus der Filterschaltung 12 erhaltene Drehinformationssignal ein rauschfreier Impuls, wodurch die Drehgeschwindigkeit zuverlässig ermittelt werden kann.

Die Fig. 6A bis 6C zeigen Beispiele verschiedener Anordnungen von Filterschaltungen 12. Die in Fig. 6A gezeigte Schaltung leitet ein Drehinformationssignal, dessen Rauschen mittels eines Kondensators C entfernt wurde, vom Motor zu einem Eingangsanschluß eines Komparators 12 a und vergleicht dieses mit einer Vergleichsspannung V _ref am anderen Eingangsanschluß. Vom Komparator 12 a kann als Drehinformations- Ausgangssignal ein rauschfreier Impuls erhalten werden. Bei der in Fig. 6A gezeigten Schaltung ist die Vergleichsspannung V _ref ein Wert, der durch Spannungsteilung einer Spannung V _C mittels eines variablen Widerstandes RV erhalten wird und dadurch je nach Bedarf eingestellt werden kann. Im Falle des in Fig. 6A dargestellten Ausführungsbeispiels kann das Rauschen mittels einer extrem einfachen Anordnung entfernt werden, bei der lediglich ein einziger Kondensator mit dem Drehinformations-Ausgangsanschluß des Motors verbunden ist.

Bei der in Fig. 6B gezeigten Filterschaltung 12 wird eine Scheitelposition der Wellenform, welche dem Drehinformationssignal aufgrund einer entgegengesetzten elektromotorischen Kraft des Motors überlagert ist, mittels einer Zenerdiode D auf eine Zenerspannung abgeschnitten. Die sich hieran anschließende Schaltung ist die gleiche, die in Fig. 6A dargestellt ist, so daß auf eine diesbezügliche Beschreibung verzichtet wird. Es kann daher die Scheitelspannung durch Einfügung der Zenerdiode D in den Signalweg entfernt werden, wodurch eine Zerstörung des Komparators 12 A verhindert wird.

Bei der Filterschaltung gemäß Fig. 6C wird an der Ausgangsseite des Komparators 12 A ein RC-Filter eingefügt, der aus einem Widerstand R ₁ und einem Kondensator C ₁ besteht und eine Hochfrequenz abfiltern soll, wodurch das Unterdrücken von Störrauschen weiter verbessert wird.

Fig. 7A bis 7C zeigen die Wirkungsweise der Filterschaltung 12, wobei Fig. 7A ein vom Motor abgegriffenes Drehinformationssignal, Fig. 7B die Wirkungsweise des Kondensators C und Fig. 7C ein Ausgangssignal des Komparators 12 A zeigen. Das in Fig. 7A gezeigte überlagerte Störrauschen wird, wie in Fig. 7B gezeigt, vom Kondensator C entfernt und das Ausgangssignal weist die in Fig. 7C dargestellte rauschfreie Impulsform auf.

Nachdem bei den Filterschaltungen gemäß Fig. 7A bis 7C der Ausgang des Komparators 12 a einem logischen Pegel von beispielsweise zwischen 0 bis 5 V angepaßt werden kann, kann der Ausgang direkt mit einer digitalen Schaltung verbunden sein, wodurch eine Pegelanpassung durchgeführt wird. Ein von einem Motor abgeleitetes Drehinformationssignal weist eine analoge Wellenform mit vielen Rauschkomponenten auf und verfügt daher nur über sehr schlechte Anpassungseigenschaften zur Weiterverarbeitung in einer logischen Schaltung an der Ausgangsstufe. Wenn jedoch der Komparator 12 a verwendet wird, bei dem der Ausgangspegel willkürlich eingestellt werden kann, kann der Ausgangspegel auf einfache Weise an den logischen Pegel (beispielsweise 0 bis 5 V) der logischen Schaltung an der Ausgangsstufe angepaßt werden.

Nachdem im Falle der vorstehend beschriebenen Anordnung der Motor selbst die Drehinformation liefert, ist es selbst dann, wenn eine Position oder eine Geschwindigkeit gesteuert werden soll, nicht erforderlich, daß ein Drehnachweisgerät wie beispielsweise ein Drehkodierer außerhalb des Motors vorgesehen sein muß. Zusätzlich ist eine Anordnung zum Ausgeben der Drehinformation äußerst einfach. Daher wird durch diese zusätzliche Funktion der Motor, verglichen mit einem konventionellen Motor, nicht viel vergrößert und bezüglich der Kosten nicht stark versteuert.

Für eine Anwendung, die bisher üblicherweise eine Kombination eines Motors und eines Drehnachweisgerätes erfordert, ist daher nun nur ein erfindungsgemäßer Motor erforderlich, wodurch in großem Umfang Raum gespart wird. Beispielsweise kann der erfindungsgemäße Motor leicht in ein Gerät eingebaut werden, welches eine Antriebskraft eines Motors zusammen mit einer Drehinformation wie beispielsweise Positionsinformation oder Geschwindigkeitsinformation erfordert, beispielsweise in einen Linsenantrieb, einen Filmvorschubmechanismus oder ein ausfahrbares Objektiv einer Kamera, wobei der Motor in einfacher Weise um die Linse herum angeordnet sein kann. Weiterhin können die Kosten im Vergleich mit einer Kombination eines konventionellen Motors und eines Drehnachweisgerätes in großem Umfang reduziert werden.

Weiterhin erhält der Motor seine Drehantriebskraft über durch die Bürste und den Kollektor fließenden Strom und die Drehinformation wird von der gleichen Quelle abgeleitet. Das Signal kann daher erhalten werden, sobald nur der Motor rotiert. Aus diesem Grunde kann mit der vorstehend beschriebenen Anordnung der Nachweis über den gesamten Rotationsbereich des Motors durchgeführt werden.

Aus dem gleichen Grunde ist weiterhin die Zuverlässigkeit der Nachweisfunktion hoch und die Haltbarkeit stellt keinerlei Problem dar. Das heißt, es wird allgemein davon ausgegangen, daß die Haltbarkeit des Motors vom Kollektor und der Bürste bestimmt wird, und die Haltbarkeit des Motors bestimmt direkt diejenige der Nachweisfunktion.

Allgemein ist in vielen Fällen ein Motor mittels eines Getriebes untersetzt, und die durch die in Rede stehende Anordnung erhaltene Drehinformation wird vor der Untersetzung abgeleitet. Wenn daher der Motor im Verhältnis 1/30 untersetzt ist, um eine Last anzutreiben, so kann bei einer einzigen Drehung der Ausgangswelle eine Messung im feinen Maßstab von 1/30 durchgeführt werden, so daß eine Position und eine Geschwindigkeit genau gesteuert werden können.

PLL (Phase Locked Loop) ist eines der Verfahren, um einen Motor mit konstanter Geschwindigkeit zu steuern, und aufgrund der vorgenannten Anordnung kann ein Geschwindigkeitssignal erhalten werden, welches für PLL geeignet ist. Wenn daher der erfindungsgemäße Motor mittels PLL bei konstanter Geschwindigkeit angetrieben werden soll, wird die Anordnung äußerst einfach.

Zusätzlich kann im Falle des Motors mit der oben genannten Anordnung nachgewiesen werden, ob der Motor angehalten ist, indem überprüft wird, ob ein Ausgangspegel an der Verbindungsleitung B während einer vorbestimmten Zeit oder länger gleich bleibt.

Es ist darauf hinzuweisen, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist, daß vielmehr vielseitige Modifikationen möglich sind, wie sich aus dem folgenden ergibt.

Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist ein leitendes Glied unabhängig von anderen Teilen vorgesehen. Wie jedoch in Fig. 8 dargestellt, kann der Pol m ₁ aus der Anzahl der drei Pole m ₁, m ₂ und m ₃ des Kollektors 8 so ausgedehnt werden, daß er mit der Drehwelle 3 in elektrischer Verbindung steht und so als leitendes Glied 10 dient. In Fig. 8 sind die Pole m ₁, m ₂ und m ₃ mit leitenden Vorsprüngen 14 a, 14 b und 14 c innerhalb eines isolierenden Trägers 13 elektrisch verbunden. Die Vorsprünge 14 a, 14 b und 14 c sind mit der Ankerwicklung elektrisch verbunden.

Der Kollektor 8 braucht keine drei Pole zu haben (ein Rotor hat drei Schlitze), und ein Pol, welcher den Kollektor 8 mit der Drehwelle 3 verbindet, braucht kein Pol zu sein. Beispielsweise im Falle eines Motors mit fünf oder sieben Polen können zwei oder drei Pole gleichzeitig leitend sein. Im Falle von sieben Polen sind vier Varianten möglich, wie in den Fig. 9A bis 9D gezeigt (diese Varianten sind so ausgewählt, daß zwei Pole, die die Bürsten 9 a und 9 b kontaktieren, nicht gleichzeitig leitend sind).

Das Drehinformationssignal wird von dem Gehäuse 6 über das Lager 4 erhalten. Es kann jedoch ein Stift vom Isolierglied 7 vorstehen, welcher das Lager 5 kontaktiert, so daß das Signal hiervon abgenommen werden kann. Wenn in diesem Fall zwischen das Lager 4 und das Gehäuse 6 ein isolierendes Glied eingefügt wird, so kann das Gehäuse 6 elektrisch abgekoppelt werden. Es ist anzumerken, daß die Drehwelle 3 gegenüber einem hieran montierten Getriebe oder dergleichen isoliert werden muß, wozu ein Befestigungsabschnitt mit einem isolierenden Material wie beispielsweise Kunststoff bedeckt sein kann oder das Getriebe selbst aus Kunststoff oder dergleichen bestehen kann.

Ein Motor, der mit einer Drehinformation-Nachweisfunktion gemäß vorliegender Erfindung versehen werden soll, muß lediglich einen Kollektor und eine Bürste haben und es kann nicht nur ein Gleichstrommotor, sondern auch ein Wechselstrommotor verwendet werden. Wenn beispielsweise die vorliegende Erfindung auf einen Universalmotor angewandt wird, der von einem Wechselstrom angetrieben wird, so erhält man vom Signalausgangsanschluß die in Fig. 10B und 10C gezeigten Ausgangswellenformen entsprechend den Wellenformen, die bei Verwendung eines Gleichstrommotors erhalten werden, wie in Fig. 10A gezeigt. Es ist anzumerken, daß in den Fig. 10B und 10C die mit gestrichelten Linien dargestellten Wellenformen die Versorgungsspannung darstellen. Im Falle von Wechselstrom kann eine Wellenform ähnlich derjenigen, wie sie bei Gleichstrom erhalten wird, erhalten werden, obwohl es keine rechtwinkelige Wellenform ist. Die vorliegende Erfindung kann nicht nur bei einem Motor mit niedriger Leistung angewandt werden, sondern vielmehr auch bei einem Hochleistungsmotor.

Claims

1. Motor mit einem Kollektor und einer Bürste zum Zuführen von Strom, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer (m ₁) der Pole (m ₁, m ₂, m ₃) des Kollektors (8) mit einer leitenden Drehwelle (3) des Motors elektrisch verbunden ist und daß eine an der Drehwelle auftretende Änderung des Potentials als ein Drehinformationssignal abgreifbar ist.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er weiterhin eine Filterschaltung (12) zur Unterdrückung von Rauschen des Drehinformationssignals umfaßt.

3. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterschaltung (12) einen Kondensator (C) umfaßt, der mit einer mit dem Motor verbundenen Drehinformations- Nachweisleitung verbunden ist.

4. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung des Potentials als Drehinformation über ein Lager (4) der Drehwelle (3) abgeführt wird.

5. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil (10) des Kollektors (8) mit der Drehwelle (3) elektrisch verbunden ist.

6. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor ein Gleichstrommotor ist.

7. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor ein Wechselstrommotor ist.

8. Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor ein Universalmotor ist.