DE3812638C2

DE3812638C2 - Bürstenloser bipolarer Mehrphasen-Gleichstrommotor

Info

Publication number: DE3812638C2
Application number: DE3812638A
Authority: DE
Inventors: I Soo Lee
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-04-22
Filing date: 1988-04-15
Publication date: 1995-06-14
Anticipated expiration: 2008-04-16
Also published as: GB2204197B; GB8808555D0; BE1004032A3; CH682193A5; IT1219549B; DE3812638A1; FR2614480A1; GB2204197A; SG43292G; AU616365B2; KR890004099B1; HK83292A; IT8847880A0; US4882524A; AU1447288A; KR880013292A; ES2007816A6

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen bürstenlosen bipolar betriebenen Mehrphasen-Gleichstrommotor der im Oberbegriff des Patentan spruchs 1 genannten Art.

Ein solcher, aus der US 33 77 534 bekannter Gleichstrom motor ist dreiphasig ausgebildet, seine Wicklungen werden bipolar angesteuert, und jede Phase weist eine Sensorein richtung, bestehend aus einer rotierenden Blende und Foto transistoren, sowie eine Teilwicklung und einen elektronischen Kommutator auf. Die einzelnen Phasen sind dabei durch den elektronischen Kommutator jeweils mit einer Spannungsquelle verbunden und weisen zur Steuerung der Kommutierung jeweils zwei Fototransistoren auf. Durch die rotierende Blende wird die erforderliche, drehrichtungsbe stimmende Ansteuersequenz und damit die Stromrichtung in der Wicklung festgelegt.

Aus der JP-A-62-48247 ist es bekannt, die einzelnen Teilwicklungen eines bürstenlosen Mehrphasen-Gleichstrommotors jeweils einer eigenen Vollbrückenschaltung zuzuordnen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gleichstrom motor der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß bei einfacher Bauweise der Motor einen guten Wirkungsgrad bei geringer Wärmeentwicklung hat.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Der erfindungsgemäße Gleichstrommotor zeichnet sich dadurch aus, daß die Fototransistoren in Axialrichtung der Blende einstellbar angeordnet sind, und daß eine Wand zwischen lichtabschirmendem Bereich und lichtdurchlässigem Bereich schräg verläuft. Dadurch kann auf einfache Weise der Stromflußwinkel eingestellt werden. Da die günstigste Position für den Verlauf des Drehmoments eingestellt werden kann, hat der Motor ein gutes Ansprechverhalten und einen guten Wirkungsgrad. Des weiteren werden die Kupferverluste, die zur Wärmeentwicklung im Motor führen, gering gehalten.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird zu ihrem besseren Verständnis und zur Erläuterung weiterer Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten im Lichte der folgenden ausführlichen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels dargestellt, wobei die zugehörigen Zeich nungen zeigen

Fig. 1 in schematischer Darstellung, teilweise als Block schaltbild, einen bürstenlosen, bipolaren Mehrphasen- Gleichstrommotor gemäß der Erfindung;

Fig. 2A in zerlegter, perspektivischer Darstellung einen Drehzahlkodierer und Sensor (den als Blende ausgebildeten Kommutierungs kodierer und die Fototransistoren) gemäß der Erfindung;

Fig. 2B im Halbschnitt die Teile von Fig. 2A im zusammen gebauten Zustand;

Fig. 3A ein kreisförmiges Schaltbild der unabhängigen Wicklung eines Dreiphasen-Vierpolmotors;

Fig. 3B die Anordnung des vierpoligen Rotors;

Fig. 3C ein seriell umgezeichnetes Schaltbild der unabhängi gen Wicklung des Dreiphasen-Vierpolmotors;

Fig. 4A in schematischer Darstellung die Treiberschaltung des Dreiphasen-Motors;

Fig. 4B den konstruktiven Aufbau des Rotors und des Kommutierungs kodierers mit Fototransistoren;

Fig. 5A den schematischen Aufbau eines Dreiphasen-Vierpol motors;

Fig. 5B den schematischen Aufbau eines Vierphasen-Vierpol motors;

Fig. 6 Zeitverläufe des abgegebenen Drehmomentes bei der Ausführung gemäß Fig. 3A, 3B und 3C;

Fig. 7A die Position des Lagesensors und den zugehörigen Zeitverlauf des Drehmomentes;

Fig. 7B die korrigierte Position des Lagesensors und den zugehörigen Zeitverlauf des Drehmomentes;

Fig. 8A den mit korrigiertem Winkel am Kommutierungskodierer angebrachten Lagesensor und den zugehörigen Zeit verlauf des Drehmomentes;

Fig. 8B den Zustand, in dem der Lagesensor in optimal korrigierter Position an dem Kommutierungskodierer angebracht ist, und den zugehörigen Zeitverlauf des Drehmomentes; und

Fig. 9 die Anordnung eines Vorwärts- und Rückwärtssensors in dem Dreiphasen-Vierpolmotor gemäß der Erfindung.

Der bürstenlose Gleichstrommotor 1 (in Folge als Motor 1 bezeichnet) gemäß der Erfindung ist entsprechend dem Übersichtsschaltbild nach Fig. 1 aufgebaut. Wenn das Kommutierungssystem die Position des Rotors 7 durch den Kommutierungskodierer mit Fototransi storen feststellt, erzeugt es einen Impuls. Der elektronische Kommutator (Kommutierungslogik) schaltet so den an die Wicklung angeschlossenen Leistungstransistor der Leistungsschaltstufe ein, wodurch ein Wechselstrom durch die Wicklungen fließt und den Rotor antreibt.

Wie in den Fig. 2A und 2B gezeigt ist, wird der Kommutierungs kodierer mit Fototransistoren so ausgebildet, daß eine Blende 2 auf der Welle 11 des Motors 1 befestigt ist. Die Blende 2 umfaßt einen lichtabschirmenden Bereich 21 und einen lichtdurchlässigen Bereich 22.

Dieses Kommutierungssystem zeichnet sich dadurch aus, daß es für jede Phase unabhängig ausgeführt ist. Das Kommutierungs system jeder Phase ist mit einer Spannungsquelle (Stromversorgung) verbunden, und ein Wechselstrom mit rechteckförmigem Verlauf fließt dementsprechend durch die Wicklung jeder Phase, wodurch der Motor weich angetrieben wird.

Die ausführliche Erläuterung eines bürstenlosen bipolaren Mehrphasen-Gleichstrommotors, der nach dem Prinzip dieser Ausführungsform angetrieben wird, wird anhand seiner grundlegenden Bau gruppen vorgenommen.

Der Motor 1 besteht aus dem durch einen Anker gebildeten Stator 4 und dem durch Permanentmagneten gebildeten Rotor 7. Der Rotor 7 des Motors 1 kann zwei, vier, sechs, acht, . . . oder 2n Pole aufweisen, der Stator 4 zwei, drei, vier, fünf, sechs, . . . oder n Phasen. Die Anzahl der Pole und Phasen kann entsprechend den Anforderungen erhöht oder vermindert werden, ebenso wie die Länge, der Durchmesser oder die Form des Motors 1 nach Bedarf modifiziert werden kann.

Wie in den Fig. 3A und 3C gezeigt ist, ist die Wicklung des Motors eine unabhängige, nicht in Dreiecks- oder Stern schaltung verbundene Wicklung. Obwohl die Spule einer jeden Phase Teil eines Mehrphasen-Motors ist, ist sie so aufgebaut, daß die erregende Wirkung einer jeden Spule stets konstant ist. Fig. 3B zeigt schematisch den dazugehörigen Rotor 7.

Der elektronische Kommutator ist gemäß den Fig. 4A und 4B so aufgebaut, daß je ein Satz vier Leistungstransistoren Q₁- Q₄; Q₅-Q₈; Q₉-Q₁₂ umfaßt, die mit der Spule jeder Phase verbunden sind. Je zwei dieser Transistoren sind mit einem Fototransistor verbunden, so daß jede Phase mit zwei Fototransistoren PA₁, PA₂; PB₁, PB₂; PC₁, PC₂ ausgestattet ist, wodurch die Stromrichtung entsprechend der Arbeitsweise der Fototransistoren festgelegt wird. Dies sei beispielhaft für den Fall des Dreiphasen-Motors mit zwei facher Erregung gemäß den Fig. 4A und 4B erläutert. Wenn sich der Fototransistor PA₁ innerhalb des lichtdurchlässigen Bereiches 22 der Blende 2 befindet, erzeugt er einen posi tiven Impuls. Dadurch werden die Leistungstransistoren Q₁ und Q₄ ein geschaltet, und der Strom fließt vom Leistungstransistor Q₁ zum Leistungstransi stor Q₄. Der Fototransistor PA₂ ist dabei in einer Position, in der er nicht eingeschaltet ist. Wenn die Position der Foto transistoren verschoben wird und der Fototransistor PA₂ innerhalb des lichtdurchlässigen Bereiches 22 der Blende 2 liegt, werden die Leistungstransistoren Q₂ und Q₃ eingeschaltet, so daß der Strom in umgekehrter Richtung vom Leistungstransistor Q₂ zum Leistungstransistor Q₃ fließt. Nunmehr ist der Fototransistor PA₁ in einer Position, in der er nicht eingeschaltet werden kann.

Weil demzufolge zwei Fototransistoren pro Phase vorgesehen sind und nur positive Impulse benutzt werden, kann auf einen Frequenzteiler verzichtet werden. Darüber hinaus kann auf eine Überkreuzsperre verzichtet werden, weil jeder Fototransistor einer Phase so eingebaut ist, daß er nicht eingeschaltet wird, während der Rotor 7 ein Bogenmaß von

30° × 2π/ Polzahl des Läufers / Anzahl der Phasen

überstreicht. Auf diese Art kann ein sicherer und einfacher elektronischer Kommutator ohne komplizierte Logikschaltkreise gebaut werden.

Wie in den Fig. 4A und 4B gezeigt ist, besteht der Kommu tierungskodierer mit Fototransistoren aus der Blende 2, die am einen Ende der Motorwelle 11 vorgesehen ist, und zwei Fototransistoren PA₁, PA₂; PB₁, PB₂; PC₁, PC₂ pro Phase. Er ist vom externen Typ. Der Fall des Dreiphasen-Vierpolmotors sei beispielhaft er läutert.

Der Motor vom Dreiphasen-Vierpoltyp gemäß Fig. 5A ist so auf gebaut, daß die Blende 2

Polzahl des Rotors/2 = 2

lichtdurchlässige Bereiche besitzt und die Breite der lichtdurchlässigen Bereiche 22 einem Bogenmaß von

2π/Polzahl des Rotors × (Anzahl der Phasen -1) / Anzahl der Phasen = 60°

entspricht. Die Fototransistoren PA₁, PB₁, PC₁, PA₂, PB₂ und PC₂ sind entsprechend in Intervallen von

2π/Polzahl des Rotors/Anzahl der Phasen = 30°

angeordnet. Das Intervall zwischen den Fototransistoren PA₁ und PA₂ der A-Phase entspricht dem Bogenmaß von

2π/Polzahl des Rotors = 90°

ebenso wie in der B- und C-Phase.

Die Fig. 5B zeigt den analogen Aufbau eines Vierphasen-Vierpolmotors.

Im folgenden wird die Arbeitsweise des Dreiphasen-Vierpolmotors mit Bezug auf die A-Phase erläutert (Fig. 6). Während der Fototransistor PA₁ einen positiven Impuls für die Treiberschaltung in einem Drehwinkelintervall von 60° erzeugt, ist er in einem Intervall von 30° nicht eingeschaltet. Auch das Intervall, in dem der Fototransistor PA₂ eingeschaltet ist, entspricht einem Drehwinkel von 60°. Wenn der Fototransistor PA₁ eingeschaltet ist, ist der Fototransistor PA₂ nicht eingeschaltet und umgekehrt. Während eines Drehwinkelintervalls von 30° sind beide Fototransistoren PA₁ und PA₂ nicht eingeschaltet. Der so konstruierte Kommu tierungskodierer mit Fototransistoren arbeitet zweiphasig mit einfacher Erregung, dreiphasig mit zweifacher Erregung, vierphasig mit dreifacher Erregung, fünfphasig mit vierfacher Erregung, sechsphasig mit fünffacher Erregung, . . . , so daß der n-phasige Motor mit (n-1)facher Erregung entsteht, der als bürstenloser bipolarer Mehrphasen-Gleichstrommotor be zeichnet wird.

Wie in den Fig. 7A und 7B gezeigt ist, erzeugt jeder Foto transistor, z. B. PA₁, in eingeschaltetem Zustand einen Impuls, der einen Strom in vorgegebener Richtung durch die Wicklung fließen läßt, sobald der Fototransistor in seiner theoretischen Position von dem lichtdurchlässigen Bereich 22 der Blende 2 erreicht wird. Außerhalb der lichtdurchlässigen Bereiche 22 wird bei gesperrtem Fototransistor kein Impuls erzeugt, und der Strom durch die Wicklung ist abgeschaltet.

Der Zeitpunkt für Anfang und Ende der Spulenerregung wird um den Winkel Θ verzögert im Vergleich zu dem Zeitpunkt des vom Fototransistor erzeugten Impulsanfangs und -endes. Diese Verzögerung ist auf die Speicherzeit des Fototransistors und die Ansprechcharakteristik der Spule zurückzuführen.

Durch die um den Winkel Θ voreilende Kommutierung mit Hilfe des Fototransistors gelingt es, den schwachen Drehmomentanteil in zur Drehrichtung des Rotors entgegengesetzter Richtung auszu schalten, den Wirkungsgrad zu verbessern und die Kupferverluste zu minimieren.

Vorzugsweise wird die um Θ voreilende Kommutierung des Foto transistors während des Motorbetriebs als beste Position ein gestellt. Die Einstellung des Fototransistors ist möglich, weil der Kommutierungskodierer vom externen Typ ist.

Wie in den Fig. 8A und 8B gezeigt, wird die Modulation des Stromflußwinkels vorgenommen, indem der Abstand zwischen dem Fototransistor und der Blende 2 eingestellt wird. Der Stromflußwinkel fällt nicht mit der Impulsbreite zusammen, die vom Fototransistor herrührt. Offensichtlich ist der Stromflußwinkel der Spule von Natur aus größer als die Impulsbreite des Fototransistors, weil sie von der Spei cher- und Abfallzeit des Fototransistors und von der Erregungs charakteristik der Spule abhängt.

Demgemäß vergrößert die Erregung in der Spanne des schwachen Drehmoments die Kupferverluste in der Spule (siehe Fig. 8A und 8B), was zu Hitzeentwicklung im Motor führt und den Wir kungsgrad herabsetzt.

Vorzugsweise wird die Einstellung des Abstands zwischen dem Fototransistor und der Blende 2 an dem Kommutierungs kodierer vom externen Typ derart vorgenommen, daß die günstigste Position für den Verlauf des Drehmoments und die effektivste Position für den Betrieb des Motors einjustiert wird.

Wie in Fig. 9 dargestellt, ist der Kommutierungskodierer in der Lage, in Vorwärts- und Rückwärtsdrehrichtung zu arbeiten. Hierzu ist ein Satz von Fototransistoren vorgesehen, der während der Rückwärts drehung benutzt wird und symmetrisch zu dem Satz von Foto transistoren verschoben ist, die für die Vorwärtsdrehung voreilend positioniert wurden.

Übereinstimmend mit der Auswahl des Satzes von Fototransistoren für die Vorwärts- oder Rückwärtsdrehung durch berührungslose elektromagnetische Betätigung ist eine Vorwärts- und Rück wärtsdrehung des Motors möglich.

Das Kommutierungssystem ist gemäß Fig. 1 mit einer Stromversorgung verbunden, direkt im Falle von Gleichstrom und über Gleichrichter im Falle von Wechselstrom. Die Geschwindigkeit des Motors wird gesteuert, indem die Spannung an der Spannungssteuerung ein gestellt wird.

Die Wirkungsweise des Motors dieser Ausführungsform, insbe sondere als Leistungsmotor, kann wie folgt zusammengefaßt werden:

Ein Paar von Fototransistoren ist pro Phase in einem Kommutierungskodierer angeordnet, wodurch sich eine Teiler vorrichtung und eine Überkreuzsperre erübrigen und ein sicherer und einfacher Schaltkreis entsteht.

Da der Motor auf einfache Art mehrphasig und mehrpolig aus gelegt werden kann, wird der Zeitverlauf des Drehmoments nennenswert verbessert. Indem die Bereiche mit schwachem Drehmoment ausgeschaltet werden, werden die Kupferverluste und die Abwärme des Motors minimiert und so der Wirkungsgrad verbessert.

Ein maximaler Strom kann durch eine für jede Phase unabhängige Wicklung geschickt werden. Die Mehrphasigkeit sorgt für eine effektive Ausnutzung der Wicklung (zum Beispiel zweiphasig mit einfacher Erregung, dreiphasig mit zweifacher Erregung, vierphasig mit dreifacher Erregung, fünfphasig mit vierfacher Erregung, sechsphasig mit fünffacher Erregung, . . .), was eine platzsparende Bauweise zuläßt. Die Verbesserung des Wirkungs grads des Motors und des Verlaufs des Drehmoments führt zu einer entsprechenden Verbesserung beim Ansprechen des Motors.

Zur Verstetigung der Rotation wird eine voreilende Kommutierung eingesetzt, wobei der Sensorteil unabhängig für eine Vorwärts- und Rückwärtsdrehung ausgebildet wird. Die geringere Leistung der Transistoren, die phasenunabhängig im Antriebsteil ein gebaut sind, setzt die Herstellungskosten herab.

Wie aus den Fig. 1 und 2A ersichtlich, ist mit 6 ein Geschwindigkeitsfühler bezeichnet, der auf dem Umfang einer Ge schwindigkeitssteuerkodiervorrichtung 3 angeordnet ist, um die Geschwindigkeit festzustellen. Die Geschwindigkeitssteuer kodiervorrichtung 3 weist eine Vielzahl von lichtdurchlässigen bzw. lichtreflektierenden Bereichen auf ihrem Umfang auf, mit denen die Geschwindigkeit festgestellt werden kann.

Claims

1. Bürstenloser, bipolar betriebener Mehrphasen-Gleichstrommotor, mit
einem Stator mit einer Mehrzahl von Teilwicklungen,
einem Rotor,
einer Sensoreinrichtung, die aus einer rotierenden Blende mit einem lichtabschirmenden Bereich und einem lichtdurch lässigen Bereich und einer Mehrzahl von Fototransistoren be steht, die in Umfangsrichtung der Blende in Winkelabständen voneinander angeordnet sind, zum Nachweisen der Drehposition des Rotors,
einer mit der Sensoreinrichtung verbundenen Kommutierungsein richtung zum Ansteuern der jeweiligen Teilwicklungen,
dadurch gekennzeichnet,
daß jede der Teilwicklungen jeweils einer eigenen Vollbrücken schaltung zugeordnet ist,
daß die Fototransistoren (PA₁, PA₂, PB₁, PB₂, PC₁, PC₂) in Axialrichtung der Blende (2) einstellbar angeordnet sind, und
daß der lichtabschirmende Bereich (21) und der lichtdurch lässige Bereich (22) der Blende (2) am Umfang derselben in Axialrichtung so ausgebildet sind, daß Wandungen zwischen lichtabschirmendem Bereich (21) und lichtdurchlässigem Be reich (22) in Axialrichtung spiegelbildlich schräg verlaufen.

2. Mehrphasen-Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die rotierende Blende (2)

a) einen lichtdurchlässigen Bereich (22) aufweist, dessen Breite im Bogenmaß durch folgende Formel bestimmt ist wobeiL = Breite des lichtdurchlässigen Bereiches im Bogenmaß,
y = Anzahl der Pole des Rotors (7),
x = Anzahl der Phasen ist, und
b) eine Anzahl Z von lichtdurchlässigen Bereichen (22) aufweist, die bestimmt ist durch

3. Mehrphasen-Gleichstrommotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß mehrere Fototransistorgruppen (PA₁, PA₂; PB₁, PB₂; PC₁, PC₂) zur Erzielung einer voreilenden Kommutatierung entgegengesetzt zur Drehrichtung des Mehrphasen-Gleichstrommotors (1) um einen bestimmten Winkel (Θ) gegenüber der theoretischen Position versetzt angeordnet sind.

4. Mehrphasen-Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß eine zweite Gruppe von Fototransistoren (PA₁′, PA₂′, PB₁′, PB₂′, PC₁′, PC₂′) so angeordnet ist, daß sie um den bestimmten Winkel (Θ) entgegengesetzt zur Rückwärtsdreh richtung des Mehrphasen-Gleichstrommotors (1) gegenüber der theoretischen Position versetzt ange ordnet sind.