DE2363632A1

DE2363632A1 - Kollektorloser gleichstrommotor

Info

Publication number: DE2363632A1
Application number: DE2363632A
Authority: DE
Inventors: Toshitaka Nakajima
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1973-02-16
Filing date: 1973-12-20
Publication date: 1974-08-22
Also published as: JPS49105913A; US3938014A; GB1444332A; NL7401185A; FR2218684A1

Description

Fuji Electric Co., Ltd. Erlangen, ·9. Dez. 1973

Kawasaki/Japan , Y/erner-von-Siemens-btr .30

Kollektorloser Gleichstrommotor

Mein Zeichen: VPA 73/8348 Hs/Mt

Die Erfindung bezieht sich auf einen kollektorlosen Gleichstrommotor mit einem permanentmagnetisehen Rotor und einer Mehrzahl von Statorwicklungen, welche von einer Gleichstromquelle über Kommutierungs-Transistoren aufeinanderfolgend erregbar sind, sowie Mittel zur entsprechenden Ansteuerung dieser Transistoren in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Rotors.

Die Transistoren haben infolge der Herstellungstoleranzen sehr unterschiedliche Stromverstärkungskoeffizienten, so daß die durch die einzelnen Statorwicklungen fließenden Ströme unterschiedlich sind. Diese unterschiedlichen Ströme rufen ein schwankendes Drehmoment des Motors hervor. Soll ein Schwanken des Motordrehmomentes möglichst vermieden werden, so ist man gezwungen, zur Kommutierung möglichst Transistoren mit gleichen Stromverstärkungseigenschaften zu verwenden. Die Auswahl von Transistoren mit gleichen Eigenschaften aus einer größeren Anzahl erfordert relativ viel Arbeit und Zeit, so daß dieses bekannte Verfahren sehr aufwendig ist, was die Herstellungskosten solcher Motoren nicht unerheblich erhöht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kollektorlosen Motor zu schaffen, bei dem der Auswahlprozeß der Transistoren zum Vergleich der Eigenschaften entfallen kann, ohne daß ein unerwünschtes Schwanken des Motordrehmomentes auftritt.

Diese Aufgabe wird bei einem kollektorlosen Motor der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß die Größe der durch die

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einzelnen Statorwicklungen fließenden Ströme mit Hilfe zumindest eines Widerstandes erfaßt wird Und daß in Abhängigkeit von dieser Größe die den einzelnen ütatorwicklungen zugeordneten Kommutierungs-Transistoren derart angesteuert sind, daß der durch jede der Statorwicklungen fließende Strom annähernd gleich ist. Vorzugsweise liegen die den durch die Statorwicklungen fließenden Strom erfaßenden Widerstände in dez· gemeinsamen Zuleitung der Statorwicklungen und dient die an diesen Widerständen abfallende Spannung zur Ansteuerung mindestens eines zusätzlichen Transistors, welcher jeweils den den einzelnen Statorwicklungen zugeordneten Kommutierungs-Transistor im Sinne einer Vergleichmäßigung der Ströme ansteuert.

Me Erfindung wird anhand zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher beschrieben.

Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem Rotor mix vier Statorwicklungen 1 bis 4, welche um 90° räumlich versetzt angeordnet sind, und zwei um 90° gegeneinander versetzt angeordneten Hallelementen H1 und H2 zur Erzeugung von Spannungen in Abhängigkeit von der Sotorstellung. In jeder der Statorwicklungen fließt ein Strom in Abhängigkeit von der Stellung des nicht dargestellten Rotors über einen elektrischen Winkel von 180°. Mit T1 bis T4 sind Kommutierungstransistoren bezeichnet, welche mit den Statorwicklungen 1 bis 4 verbunden sind. Ferner enthält die Schaltung Vortransistoren T11 bis T14, wobei je ein Paar einen Differenzverstärker zur Verstärkung der Ausgangsspannungen der Hallelemente bildet. Ferner sind zwei zusätzliche Transistoren T5 und T6 vorgesehen, welche zum Gleichmachen der Ströme in den Statorwicklungen 1 bis 4 dienen. Ferner sind noch Widerstände R1 bis R12 vorgesehen. Mit ( + ) und (-) sind zwei Klemmen zum Anschalten einer Gleichstromquelle bezeichnet.

Die um 1öO° versetzt angeordneten Wicklungen 1 und 2 bzw. 5 und 4 sind zu je einem Paar vereinigt. Die unteren Enden eines . jeden Paares der Statorwicklungen 1 und 2 sind miteinander und über den Widerstand R9 mit dem positiven Pol der Gleichstromquelle verbunden. In gleicher Weise sind die unteren Enden des

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anderen Paares der Statorwicklungen 3 und 4 miteinander und über einen Widerstand R11 mit dem positiven Pol der Gleichstromquelle verbunden. Die oberen Enden der Statorwicklungen 1 bis 4 sind über die Kollektor-Emitter-Strecken der Kommutierungs-Transistoren T1 bis T4 mit dem negativen Pol der Gleichstromquelle verbunden. Die Basen der Transistoren T1 bis T4 sind mit den Kollektoren der Transistoren T11 bis IH verbunden, wobei je ein Paar derselben einen Differenzverstärker bildet. Die Basen des einen Paares der Transistoren T11 und T12 sind mit den beiden Ausgängen des Hallelementes H1 und die Basen des and sen Paares der Transistoren T13 und TH mit den zwei Ausgängen des anderen Hallelementes H2 verbunden. Die Emitter der Transistoren T11 und T12 sind mit dem Kollektor des Gleichmachungs-Transistors T5 und die Emitter der Transistoren T13 und TH sind mit dem Kollektor des anderen Gleichmachungs-Transistors T6 verbunden. Die Kollektoren der Transistoren T11 bis XH sind ferner über die Widerstände R1, R3, R5 und R7 mit dem negativen Pol der Gleichstromquelle verbunden. Die Basen der Gleichmachungs-Transistoren T5 und 16 sind gemeinsam mit dem Verbindungspunkt der Widerstände R4 und R10 verbunden, welche einen Spannungsteiler bilden. Die Emitter dieser Transistoren sind mit den Enden der Widerstände R9 und R11 verbunden, welche mit den Statorwicklungen 1, 2 bzw. 3 und 4 in Verbindung stehen.

Die Steuerelektroden des Hallelementes H1 sind über Widerstände R2 und R8 und die Steuerelektroaen des Hallelementes H2 über Widerstände R6 und R12 mit der Gleichstromquelle verbunden.

In der vorstehend beschriebenen Schaltung erzeugen die Hallelemente H1 und H2 annähernd sinusförmige Ausgangsspannungen mit einer Phasendifferenz von 90 entsprechend der Winkelstellung des in der Zeichnung nicht dargestellten Rotors. Jedes Transistorpaar T11 und 112 bzw. T13 und TH verstärkt infolge der unterschiedlichen Stromverstärkungsfaktoren unterschiedlich die Ausgangsspannungen der Hallelemente H1 und H2. Betrachtet man das Transistorpaar T11 und T12 zur Verstärkung der Ausgangsspannungen des-Hallelementes H1, so leitet der Transistor über eine Periode von 180° bei einer positiven Ausgangsspannung

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des Hallelementes H1, so daß der Transistor T1 in den leitenden Zustand geht, wodurch durch die Statorwicklung 1 ein Strom fließt. Andererseits leitet der Transistor T12 über die folgende 180 -Periode, während welcher die Ausgangsspannung des Hallelementes H1 negativ ist, so daß der Transistor T2 in den leitenden Zustand gebracht wird, wonach ein Strom durch die Statorwicklung 2 fließt." Die Transistoren T13 und T14 zur Verstärkung der Ausgangsspannungen des Hallelementes H2 wirken in ähnlicher Weise wie vorstehend beschrieben, so daß wechselweise über 180 -Perioden ein Strom durch die Statorwicklungen 3 und 4 fließt. Da die Hallelemente H1 und H2 um 90° versetzt angeordnet sind, werden die durch die Statorwicklungen 1 bis 4 fließenden Ströme untereinander eine Phasendifferenz von 90° aufweisen. Diese Beziehungen der Ströme sind in Figur 3 dargestellt.

In Figur 3 sind mit 11 bis 14 die durch die Statorwicklungen 1 bis 4 fließenden Ströme bezeichnet. Aus dem Diagramm '.ist zu ersehen, daß die elektrischen-Ströme über eine Dauer von elektrisch durch die Statorwicklungen fließen und zwar in einer Folge von 1-3-2-4 mit einer Phasenverschiebung von 90° zwischen den einzelnen Strömen, so daß ein Drehmoment zwischen dem Stator und dem Rotor erzeugt wird. Wenn jedoch die durch die Statorwicklungen fließenden Ströme eine unterschiedliche Größe aufweisen, entsteht ein Schwanken des Drehmoments.

Die durch jedes Statorwicklungspaar fließenden Ströme gehen über die Widerstände R9 und R11. Aus diesem Grunde können die durch die Statorwicklungen fließenden Ströme durch Messung der Spannungsabfälle an den Widerständen R9 und R11 erfaßt werden. Die Spannungsabfälle an den Widerständen.R9 und R11 werden den Emittern der Gleichmachungs-Transistoren T5 und T6 zur Verfügung gestellt, deren Basisspannungen durch den aus den Widerständen R4 und R10 bestehenden Spannungsteiler konstant gehalten ist. Mit anderen Worten, die Spannungsabfälle an den Widerständen R9 und R11 werden stets durch die zusätzlichen Transistoren T5 und T6 überwacht, wobei die Emitterströme der Verstärkungstransistoren T11 bis T14 durch die Kollektorströme der Gleichmachungs-Transistoren T5 und T6 gesteuert werden. Letztere werden von der Differenz zwischen dem Emitterpotential der Transistoren

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und dem konstanten Basispotential variiert.

Angenommen, daß der Stromverstärkungskoeffizient des Transistors T1 größer ist als jener des Transistors T2 infolge der Her s tellungst oleranz en, so würde der durch die Statorwicklung 1 fließende Strom größer sein, als der Strom, der durch die Statorwicklung 2 fließt, und zwar um einen Betrag entsprechend der Differenz der Stromverstärkungskoeffizienten der "beiden Transistoren. Dies hat zur Folge, daß der Spannungsabfall an dem Widerstand R9 in der Periode, in der der Strom durch die Statorwicklung 1 fließt, größer sein wird als in jener Periode, wo der Strom durch die Statorwicklung 2 fließt. Dies reduziert das Emitterpotential des Transistors T5 relativ zu dem Basispotential, wodurch der Emitterstrom des Transistors T11, welcher von dem Transistor T5 gespeist wird, entsprechend reduziert wird. Demzufolge wird auch der Basisstrom des Transistors T1 reduziert, so daß der durch die Statorwicklung 1 fließende Strom ebenfalls um einen vorbestimmten Wert reduziert wird.

Während der folgenden Periode ist der Transistor T2 leitend und es fließt ein Strom durch die Statorwicklung 2, der einen niedrigeren Spannungsabfall an dem V/iderständ R9 hervorruft. Infolge des kleineren Stromes durch den Transistor T2 wird das Emitterpotential des Transistors T5 erhöht, so daß der Kollektorstrom des Transistors T5 zunimmt. Demzufolge werden der Basisstrom des Transistors T2 und der durch die Statorwicklung 2 fließende Strom um einen vorbestimmten Wert zunehmen.

Der Schaltungsteil mit dem Hallelement H2 wirkt in ähnlicher Weise. Der Transistor T6 steuert den durch die Statorwicklungen 3 und 4 fließenden Strom auf einen durch den Spannungsteiler R4 und R10 vorbestimmten V/ert.

Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich also, daß gemäß der Erfindung, die durch die Statorwicklungen 1 bis 4 fließenden Ströme an den Widerständen R9 und R11 erfaßt werden können, wobei die G-leichmachungs-Transistoren T5 und T6 über die Verstärkungstransistoren T11 bis T16 die Kommutierungstransistoren

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T1 Ms T 4 steuern. Die an den Widerständen R9 und R11 erfaßten Ströme werden mit einem vorbestimmten Wert verglichen, welcher durch den Spannungsteiler R4 und R10 vorgegeben ist. Der Stromfluß durch die Statorwicklungen kann also gleichgemacht werden, ohne Rücksicht auf die Abweichungen in der Charakteristik der Transistoren T1 bis T4, so daß Schwankungen des von der Ungleichheit der Statorströme herrührenden Motordrehmonxentes im wesentlichen eleminiert werden können.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel fließen die Ströme durch die Statorwicklungen über eine Periode von 1öO°el. Aus diesem Grunde sind zwei Transistoren zur Gleichmachung dieser Ströme erforderlich. Jedoch kann bei einer anderen Ausführungsform die Zahl der G-leichmachungs-Transistoren auf eins reduziert werden, wenn die durch die Statorwicklungen fließenden Ströme nur über eine Periode von 90°el fließen. Ein Ausführungsbeispiel dieser Art ist in Figur 2 dargestellt, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern wie in Figur 1 versehen sind.

Bei der Schaltung gemäß Figur 2 sind die Smitter der vier Verstärkungstransistoren 'JM1 bis T14 miteinander verbunden und die Enden der vier Statorwicklungen 1 bis 4 sind ebenfalls miteinander und weiter über einen Widerstand R13 mit dem positiven Pol der Gleichstromquelle verbunden. Da die Emitter der vier Transistoren T11 bis T14, wie zuvor beschrieben, miteinander verbunden sind, leitet jeder dieser Transistoren nur dann, wenn sein Basispotential niedriger ist als die Basispotentiale der anderen Transistoren. Die Basispotentiale der Transistoren T11 bis T14 ändern sich sinusförmig in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung der Hallelemente. Das hat zur Folge, daß die Periode, während welcher das Basispotential eines Transistors niedriger ist als die Basispotentiale der anderen Transistoren auf 90 el begrenzt ist. Jeder der Transistoren T11 bis T14 leitet also nur über eine Periode von 90 in Abhängigkeit von der Rotorstellung. Die Kommutierungstransistoren T1 bis T4 werden in Übereinstimmung mit den Transistoren T11 bis 214 in den leitenden Zustand gebracht und die Ströme 11 bis 14 fließen durch die Statorwicklungen über eine Periode von 90 , wie Figur 4 zeigt.

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Alle über die Statorwicklungen fließenden Ströme gehen über den Widerstand R13 und daher können diese Ströme durch Messung des Spannungsabfalles am Widerstand R13 erfaßt werden. Der Spannungsabfall an dem Y/iderstand R13 wird dem Emitter eines Transistors T7 bereitgestellt, dessen Kollektor mit dem Terbindungspunkt der Emitter der Transistoren T11 bis 114 verbunden ist. Der Gleichmachungs-Transistor T7 spricht auf die Differenz zwischen dem Spannungsabfall an dem Widerstand R13 und der Basisspannung an, welche durch den Spannungsteiler aus den Widerständen R4 und R10 gebildet ist. Der Transistor T7 steuert über die Yerstärkertransistoren T11 bis T14 die Basiseingänge der Kommutierungstransistoren TI bis T4» so daß die durch die 3tatorwicklungen 1 bis 4 fließenden Ströme auf einen vorbestimmten Wert gehalten werden.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist zu entnehmen, daß bei dieser Ausführung eine Ungleichheit der ütatorströme mit Hilfe des Transistors T7 kompensiert werden kann, sogar in dem Falle, wo die Charakteristiken der Kommutierungstransistoren T1 bis T4 nicht einander angepaßt worden''sind. Durch die erfindungsgemäße Ausführung können also alle durch die btatorwicklungen fließenden Ströme in gleicher Höhe gehalten werden, so daß ein Schwanken des Motordrehmomentes nicht auftreten kann.

Die Anwendung der Erfindung ist nicht beschränkt auf eine bestimmte Schaltungsanordnung, insbesondere auch nicht auf eine bestimmte Anzahl der Statorwicklungen -Falls es erwünscht ist, können die Widerstände H4 oder R10 des Spannungsteilers durch veränderbare Widerstände ersetzt werden, um die Höhe der durch die Statorwicklungen fließenden Ströme ändern zu können. Ferner kann die Geschwindigkeit des Gleichstrommotors im Bedarfsfalle dadurch gesteuert werden, daß an die Basis der Gleichmachungstransistoren T5 und T6 bzw. T7 zusätzlich eine geschwindigkeit sabhängige Spannung angelegt wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung können irgendwelche Ungleichheiten der Statorströme automatisch kompensiert werden, ohne Rücksicht auf Abweichungen der Charakteristiken der Kommutierungstransistoren, wodurch Schwankungen des

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Kotordrehmomentes unterdrückt werden können. Der zuvor beschriebene Auswahlprozeß der Transistoren kann also entfallen, so daß die Herstellungskosten des Kollektorlosen Gleichstrommotors gleichfalls reduziert werden können.

4 Figuren

5 Patentansprüche

ORIGINAL INSPECTED 4Q9834/0698

Claims

Patentansprüche

f 1./Kollektorloser Gleichstrommotor mit einem permanentmagnetischen Rotor und einer Mehrzahl von Statorwicklungen, welche von einer Gleichstromquelle über Kommutierungs-Transistoren aufeinanderfolgenö erregbar sind, sowie Mittel zur entsprechenden Ansteuerung dieser Transistoren in Abhängigkeit von der Y/inkelsteilung des Rotors, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der durch die einzelnen Statorwicklungen (1 bis 4) fließenden Ströme mit Hilfe zumindest eines V/iüerstandes (R9 und R11, R13) erfaßt wird und daß in Abhängigkeit von dieser Größe die den einzelnen Statorwicklungen (1 bis 4) zugeordneten Kommutierungs-Transistoren (T1 bis T4) derart angesteuert sind, daß der durch jede der Statorwicklungen fließende Strom annähernd gleich ist.
2. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den durch die Statorwicklungen (1 bis 4) fließenden Strom erfaßenden Widerstände (R9 und R11, R13) in der gemeinsamen Zuleitung der Statorwicklungen liegen und daß die an diesen Widerständen (R9 und R11, R13) abfallende Spannung zur Ansteuerung mindestens eines zusätzlichen Transistors (T5 und T6, T7) dient, welcher jeweils den den einzelnen Statorwicklungen (1 bis 4) zugeordneten Kommutierungs-Transistor (T1 bis T4) im Sinne einer Vergleichmäßigung der Ströme ansteuert.
3. Kollektorloser Gleichstrommotor, bei dem die den Statorwicklungen zugeordneten Kommutierungs-Transistoren über Vortransistoren angesteuert sind, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektor-Emitter-Strecke des oder der zusätzlichen Transistoren,(T7,T5 und T6) in Reihe mit den Kollektor-Emitter-Strecken der den Kommutierungs-Transistoren (T1 bis T4) zugeordneten Vortransistoren (T11 bis T14) liegen, wobei der Emitter des oder der zusätzlichen Transistoren (T7,T5 und T6) an den Verbindungspunkt der Widerstände (R13,R9 und R11) mit den Stator-

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Wicklungen (1 bis 4) geschaltet und der Kollektor an den miteinander verbundenen Emittern der Vortransistoren (T11 bis T14) geschaltet sind, während die Basis des oder der zusätzlichen Transistoren (T5 und T6, T7) an einen Verbindungspunkt zweier einen Spannungsteiler bildenden Widerstände (R4,R1O) liegt.
4. Kollektorlos er Grleichstrommotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumxiiüe.jt ^n Widerstand (R4 oder R'lO) des !Spannungsteilers variabel ist.

5'. Kollektorloser G-leichstrommotor nach Anspruch 3 oder 4» dadurch gekennzeichnet, aaß an die Basis des oder der zusätzlichen Transistoren (T5 und T6, T7) eine der Drehzahl des Rotors proportionale Spannung gelegt ist.

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