DE1224824B

DE1224824B - Schaltungsanordnung fuer kollektorlose Gleichstrom-Kleinstmotoren

Info

Publication number: DE1224824B
Application number: DES86507A
Authority: DE
Inventors: Guenter Saussele
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1963-08-02
Filing date: 1963-08-02
Publication date: 1966-09-15
Also published as: US3304481A

Description

Schaltungsanordnung für kollektorlose Gleichstrom-Kleinstmotoren Die bei Gleichstrommotoren üblichen mechanischen Kommutiereinrichtungen versagen bei hohen Drehzahlen. Es sind bereits verschiedene Vorschläge gemacht worden, um die mechanischen Kommutiereinrichtungen durch elektronische zu ersetzen. Bekannt sind Schaltungsanordnungen für kollektorlose Gleichstrom-Kleinstmotoren mit Permanentmagnetläufer und sternförmig geschalteten, gegeneinander versetzten Ständerwicklungen, welche zur Erzeugung eines Drehfeldes über steuerbare Ventile od. dgl. in zyklischer Folge mit Gleichstrom erregt werden. Die Ansteuerung der Ventile od. dgl. erfolgt meist durch kontakt- und berührungslos arbeitende Gebereinrichtungen. Als Gebereinrichtungen sind zusätzliche Spulenanordnungen oder Hallgeneratoranordnungen bekanntgeworden, die von dem umlaufenden Perinanentmagnetläufer oder einem zusätzlich an der Läuferwelle angebrachten Gebermagneten entsprechend beeinflußt werden. Bei einer anderen bekannten Ausführung (USA.-Patentschrift 3 023 348) erfolgt die Ansteuerung der Ventile lichtelektrisch über einen mit der Welle verbundenen Spiegel, welcher von einer koaxial angeordneten Lichtquelle angestrahlt wird. Alle diese bekannten Gebereinrichtungen erfordern einen erheblichen Aufwand.
Es ist ferner durch die französische Patentschrift 1289 266 ein über Gleich- und Wechselrichter mit steuerbaren Ventilen in Brückenschaltung betriebener Stromrichtermotor bekannt, bei dem die Steuerung der die Ständerströme schaltenden Ventile des Wechselrichters nach erfolgtem Anlauf und Erreichen einer bestimmten Drehzahl durch die in der Ständerwicklung induzierte Spannung sichergestellt ist, indem die Steuerelektroden der Ventile des Wechselrichters über eine Steuereinrichtung an die Phasen der Statorwicklung anschließbar sind.
Durch die britische Patentschrift 886 822 ist es außerdem bei. Gleichstrommotoren bekannt, zur Drehzahlregelung die Drehzahl dadurch zu erfassen, daß über den Kommutator die in künstlich geschaffenen Strompausen induzierte Gegen-EMK abgenommen und mit einer verstellbaren Referenzspannung verglichen wird. Die Strompausen werden dadurch geschaffen, daß die Stromzufuhr zum Motor periodisch im Rhythmus der Frequenz einer Wechselspannung unterbrochen wird.
In einer älteren Anmeldung wird vorgeschlagen, daß bei kollektorlosen Gleichstrom-Kleinstmotoren der eingangs erwähnten Art zur analogen und/oder digitalen Rückmeldung der Drehzahl und/oder der momentanen Läuferstellung die Spannungen herangezogen werden, die der Läufer in den jeweils stromlosen Ständerwicklungen. induziert, wobei mit an den Ständerwicklungen angeschlossenen Gleichrichtern diejenigen Halbwellen ausgekoppelt werden, deren Polarität der der speisenden Spannung entgegengesetzt ist. Eine solche Schaltungsanordnung läßt sich mit Vorteil zur Steuerung einer elektronischen Kommutiereinrichtung verwenden.
Die vorliegende Erfindung macht ebenfalls Gebrauch von dem in der älteren Anmeldung beschriebenen Prinzip. Sie bezieht sich daher auf eine Schaltungsanordnung für kollektorlose Gleichstrom-Kleinstmotoren mit Permanentmagnetläufer und mindestens vier oder einer höheren geradzahligen Anzahl von Ständerwicklungen, die sternförmig geschaltet und zur Erzeugung eines Drehfeldes über steuerbare Ventile oder dergleichen Schaltelemente in zyklischer Folge mit Gleichstrom erregbar sind, indem zur Steuerung der die Ständerströme schaltenden Ventile oder dergleichen Schaltelemente die Spannungen herangezogen sind, die der Läufer in den jeweils stromlosen Ständerwicklungen induziert. Eine besonders einfache und vorteilhafte Schaltung ergibt sich gemäß der Erfindung dadurch, daß die Umschaltung des Stromes von einer Wicklung auf die darauffolgende im Augenblick der Gleichheit der Momentanwerte der Spannungen zweier Wicklungen, die gegenüber den an der Kommutierung beteiligten Wicklungen um 180' el. versetzt sind, erfolgt und daß das Signal für die Umschaltung aus der Gleichheit der Momentanwerte der beiden Spannungen abgeleitet ist. Zu diesem Zweck sind die äußeren Anschlüsse jeweils zweier benachbarter Ständerwicklungen mit den Eingängen eines elektronischen Schaltpunktgebers verbunden, der aus den in den Wicklungen induzierten Wechselspannungen im Augenblick der Gleichheit der Momentanwerte dieser Wechselspannungen je nach der Drehrichtung des Läufers einen positiven oder negativen Steuerimpuls erzeugt, der zum Abschalten des Stromes der bis dahin stroniführenden und zum Einschalten des Stromes der folgenden Ständerwicklung auf die entsprechenden Eingänge von den Stromfluß steuernden bistabilen Kippstufen gegeben wird. Da§ Steuern des Stromes in Wicklungen kollektorloser Gleichstrommaschinen durch über einen Geber beaufschlagte bistabile Kippstufen ist an sich bereits durch die britische Patentschrift 926 099 bekannt. Vorzugsweise besteht der elektronische Schaltpunktgeber aus zwei Transistoren (T1, T2), deren Basen an je eine zweier benachbarter Wicklungen angeschlossen und deren Emitter über einen gemeinsamen Widerstand an Masse gelegt sind, und daß irn Kollektorkreis eines Transistors ein Widerstand liegt, an dem über ein Differenzierglied die Steuerimpulse abnehmbar sind.
- -An Hand deir Zeichnung, in der ein Ausfühnmgsbeispiel der erfindungsgemäßenSchaltungsanordnung schematisch dargestellt ist, wird die Erfindung näher erläuteit. Es zeigt Fig. 1 im Blockschaltbild eine Schaltungsanordnung für einen kollektorlosen Gleichstrom-Kleinst-Motor, F i g. 2 einen elektronischen Schaltpunktgeber, Fig. 3 eine Anordnung der Ständerwicklungen und - F i g. 4 eine grafische Darstellung der in den Wicklungen induzierten Spannungen, der Spannungen am Ausgang der Schaltpunktgeber und der Zustände der die Ständerströme steuernden bistabilen Kipp#tufen jeweils in Abhängigkeit von der Läuferstellung für den Ablauf einer Läuferumdrehung.
Die erfindungsgemäße elektronische Schaltungsanordnung zur Kommutierung wird an einem Gleichstrom-Kleinstmotor für hohe Drehzahlen mit Permanentmagnetläufer und vier sternförmig geschalteten Ständerwicklungen erläutert.
Mit 1, 2, 3 und 4 sind die um 90' räumlich versetzten Ständerspulen bezeichnet, deren eine Enden zu einem Sternpunkt zusammengefaßt und geerdet sind. Fig. 3 zeigt die räun-fliche Anordnung der Ständerwicklungen in schematischer Darstellung, wobei die zusarnmengehörigen Wicklungsteile mit 1 und l', 2 und 2, 3 und 3' und 4 und 4' bezeichnet sind. Der Permanentinagnetläufer 5 ist zweipolig ausgeführt und in der mit N und S beschrifteten Weise diametral magnetisiert.
Die äußeren Anschlüsse der Wicklungen 1 bis 4 sind paarweise an die Eingänge a und b von Schaltpunktgebern G,21 G23, G#34 und G4, gelegt. Mit C121 c23> C,4 und C4, sind Kondensatoren bezeichnet, die zusammen mit den Eingangswiderständen der Speicher-Flip-Flops Differenzierglieder bilden, mit deren Hilfe je nach der Drehrichtung des Läufers ein positiver oder negativer Impuls gewonnen werden kann, was weiter unten noch erläutert wird.
Die Ausgänge der Schaltpunktgeber sind mit den Eingängen c und d von Speichern, beispielsweise bistabilen Kippstufen S,' S2, #, und S4 verbunden, und zwar in der Weise, daß bei Abgabe eines Impulses der gerade den Strom für eine Spule freigebende Speicher gelöscht un'd gleichzeitig der in der Reihenfolge nächste Speicher gesetzt wird. Die als Speicher fungierenden bistabilen Kippstufen S, bis S4 sind über Verstärkereinrichtungen 171 bis Y,. mit den entsprechenden Ständeispulen 1 bis 4 in der Weise verbunden, daß bei gesetztem Speicher die korrespondierende Spule Strom erhält.
Die Schaltpunktgeber GI., G23, G34 und G,1 haben also die Aufgabe, die Ständerströme über die bistabilen Kippstufen S, bis S4 und Verstärker V, bis V4 in der gewünschten Weise zu steuern.
An Hand der F i g. 2 wird die Wirkungsweise der Schaltpunktgeber erläutert. Sie bestehen aus je zwei Transistoren T, und T, , deren Emitter zusammen gefaßt und über einen Widerstand W, an Masse gelegt sind. Im Koffektorkreis des Transistors T2 liegt ein Widerstand W2. Die Eingänge a und b sind in der in F i g. 1 dargestellten Weise mit den Enden der Spulen verbunden. In den Strompausen induziert der rotierende Läufer in den Ständerwicklungen eine sinusförmige Wechselspannung, die von Wicklung zu Wicklung jeweils 901 in der Phase verschoben ist. In F i g. 4 sind diese sinusförmigen Spannungen dargestellt und mit denselben Bezugszeichen wie die entsprechenden Spulen bezeichnet. Diese induzierten Spannungen werden also paarweise auf die Eingänge a und b der Schaltpunktgeber gegeben. In F i g. 2 unten sind diese Spannungen nochmals getrennt herausgezeichnet, wobei durch Pfeile angedeutet ist, welche der Spannungen zu welchem Eingang gegeben wird. Solange die beiden Spannungen positiv sind, sind beide Transistoren gesperrt, so daß der Punkt B negatives Potential fährt. Wird nun am Eingang a die Spannung negativ, so wird der Transistor T, leitend, und zwar zunehmend mit zunehmendem negativem Potential. Dadurch wird der Punkt D negativ, wie das daneben gezeichnete Dia-gramm erkennen läßt. Infolgedessen bleibt der Transistor T2 noch so lange gesperrt, bis die Spannung am Eingang b gegenüber der im Punkt D negativ wird. Das ist dann der Fall, wenn sich die beiden negativen Halbwellen schneiden. Dieser Zeitpunkt ist mit P bezeichnet. Die Spannung im Punkt B senkt sich dann bis Null ab, wie in dem danebenstehenden Bild dargestellt ist. Hierbei ist die Periode der Spannungsabsenkung schraffiert, während in dem Bild neben dem Punkt D die Durchlaßperiode des Transistors schraffiert ist. Durch den Kondensator C und den Eingangswiderstand R des Speichers wird nun diese Spannungsabsenkung, differenziert, so daß die Eingangsklemme c des Speichers S einen nadelförmigen positiven Impuls erhält. Bei der Drehung des Läufers in umgekehrter Richtung tritt ein negativer Impuls auf,- wie sich aus der Zeichnung ohne weiteres ergibt. Dieser Fall ist durch gestrichelte Linien angedeutet. Soll der Motor mit negativer Spannung gespeist werden, so müssen die Impulse aus den Schnittpunkten der positiven Halbwellen der Gegenspannung dargestellt werden. Die Transistoren T, und T2 müssen dann n-p-n-Transistoren sein. Dieser Schaltpunktgeber arbeitet ebenso wie der oben beschriebene, nur haben alle Spannungen und Ströme das entgegengesetzte Vorzeichen.
In F i g. 4 sind die Spannungsverhältnisse in Ab- hängigkeit von der Winkelstellung des Läufers für Rechts- und Linkslauf dargestellt. Mit u123 U2P U34 und U" sind die an den Ausgängen der Schaltpunkt-,geber G., bis G auftretenden Spannungen bezeich-D 41 net. In den folgenden vier Zeilen sind die Spannungsimpulse dargestellt, die nach der Differenzierung der Spannungsänderungen den Eingängen c und d der Gedächtnisse S zugeführt werden. In den weiteren vier Zeilen sind mit stark ausgezogenen Linien die Dauer des gesetzten Zustandes der Speicher S,. bis S4 dargestellt, während der die Ständerwicklungen 1 bis 4 erregt werden. Das in F i g. 4 dargestellte Diagramin zeigt also, von welchen Schaltpunktgebern jeder der vier Speicher gesetzt bzw. gelöscht werden muß, damit die nachgeschalteten Schaltverstärker V, bis V4 die Ständerwicklungen 1 bis 4 stets so an die Speisespannung UB legen, daß der Läufer 5 in der eingeschlagenen Drehrichtung weiter angetrieben wird.
Bezüglich der Wirkungsweise ist noch zu bemerken, daß der Motor mit einer der bekannten elektrischen oder mechanischen Anwerfvorrichtungen beim Einschalten vom Stillstand in bekannter Weise auf eine Drehzahl gebracht werden muß, bei der die vom Läufer in den Ständerwicklungen induzierten Spannungen zur Gewinnung der Schaltsignale ausreichen. Diese Anwerfvorrichtungen sind nicht Gegenstand dieser Anmeldung. Daher ist auf sie nicht weiter eingegangen worden.

Claims

Patentansprüche: 1. Schaltungsanordnung für kollektorlose Gleichstrom - Kleinstmotoren mit Permanentmagnetläufer und mindestens vier oder einer höheren geradzahligen Anzahl von Ständerwickjungen, die sternförmig geschaltet und zur Erzeugung eines Drehfeldes über steuerbare Ventile oder dergleichen Schaltelemente in zyklischer Folge mit Gleichstrom erregbar sind, indem zur Steuerung der die Ständerströme schaltenden Ventile oder dergleichen Schaltelemente die Spannungen herangezogen sind, die der Läufer in den jeweils stromlosen Ständerwicklungen induziert, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung des Stromes von einer Wicklung auf die darauffolgende im Augenblick der Gleichheit der Momentanwerte der Spannungen zweier Wicklungen, die gegenüber den an der Kornmutierung beteiligten Wicklungen um 180' el. versetzt sind, erfolgt und daß das Signal für die Umschaltung aus der Gleichheit der Momentanwerte der beiden Spannungen abgeleitet ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Anschlüsse je- weils zweier benachbarter Ständerwicklungen mit den Eingängen eines elektronischen Schaltpunktgebers (G) verbunden sind, der aus den in den Wicklungen induzierten Wechselspannungen je nach der Drehrichtung des Läufers im Augenblick der Gleichheit der Momentanwerte dieser Wechselspannungen einen positiven oder negativen Steuerimpuls erzeugt, der zur Abschaltung des Stromes der bis dahin stromführenden und zum Einschalten des Stromes der folgenden Ständerwicklung auf die entsprechenden Eingänge von den Stromfluß steuernden bistabilen Kippstufen (S) gegeben wird. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schaltpunktgeber (G) aus zwei Transistoren (T1, T2) besteht, deren Basen an je eine zweier benachbarter Wicklungen angeschlossen und deren Emitter über einen gemeinsamen Widerstand (W1) an Masse gelegt sind, und daß im Kollektorkreis eines Transistors ein Widerstand (W2) liegt, an dem über ein Differenzierglied die Steuerimpulse abnehmbar sind.
In Betracht gezogene Druckschriften: Französische Patentschrift Nr. 1289 266; britische Patentschriften Nr. 886 822) 926 099; USA.-Patentschrift Nr. 3 023 34K