DE1244285B

DE1244285B - Brushless DC motor with polarized rotor

Info

Publication number: DE1244285B
Application number: DE1963L0043889
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Olaf Grimm
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1963-01-14
Filing date: 1963-01-14
Publication date: 1967-07-13

Description

Bürstenloser Gleichstrommotor mit polarisiertem Läufer Die Erfindung bezieht sich auf einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit einem polarisierten Läufer. Die im Ständer angebrachten Spulen werden über Transistoren gespeist, und die Strömdurchlässigkeit der Transistoren wird in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Läufers mittels einer in die Steuerkreise der Transistoren, z. B. über einen an der Läuferwelle vorgesehenen Verteilerfinger, induktiv hereink-oppelbaren Hilfsfrequenz im Sinn der Erzeugung eines Drehfeldes in der Ständerwicklung gesteuert. Bei derartigen bekannten, aus jeder Stellung selbst anlaufenden Motoren ist also der bisher übliche mechanische Kommutator durch einen elektronischen ersetzt, wodurch die bekannten Nachteile der mechanischen Kommutatoren umgangen werden und die Frequenz der Hilfswechselspannung so hoch ist, daß die Drehzahl durch die in den Wicklungen des Ständers erzeugte Geggen-EMK bestimmt ist.Brushless DC motor with polarized rotor The invention refers to a brushless DC motor with a polarized rotor. The coils in the stator are fed via transistors, and the flow permeability of the transistors is dependent on the rotation angle of the rotor by means of an in the control circuits of the transistors, e.g. B. via a provided on the rotor shaft Distributor finger, inductively coupled-in auxiliary frequency in the sense of generation controlled by a rotating field in the stator winding. With such known, from motors that start up in every position are the usual mechanical ones Commutator replaced by an electronic one, eliminating the known disadvantages of the mechanical commutators are bypassed and the frequency of the auxiliary AC voltage is so high that the speed generated by in the windings of the stator Counter-EMF is determined.

Es ist auch schon ein Uhrenantrieb ohne mechanischen Kommutator bekanntgeworden, bei dem ein Synchronmotor, der einen dauermagnetischen Läufer aufweist, aus einer Gleichstromquelle über einen elektronischen Schwiligungserzeuger gespeist wird. Der Ständer ist mit zwei Spulen versehen, welche über Transistoren aus einer Gleichstromquelle gespeist worden. Es wird entweder die eine oder die andere Ständerspule von einem Strom durchflossen. Dazu ist es erforderlich, daß entweder der eine oder der andere Transistor stromdurchlässio, ist. Die Stroindurchlässigkeit dieser beiden Transistoren wird von einem Phasenumkehrtransistor gesteuert. Der elektronische Schwingungserzeuger besteht aus einem. Ein-an-s- und einem Ausgangskreis, welche durch einen ersten Rückkopplungszweig miteinander verbunden sind. Weiterhin ist im Motor eine mit dem Läufer magnetisch gekoppelte Rückkopplungswicklung angebracht, deren Signal von der Drehzahl des Motors abhängig ist und über einen zweiten Rückkopplungskreis dem Eingangskreis zugeführt wird. Die Stabilisierung der Motordrehzahl auf einen Sollwert ist abhängig vom Phasengang des zweiten Rückkopplungskreises. Die beiden Rückkopplungskreise arbeiten über zwei Kopplunaskondensatoren zusammen, wobei die Ströme der Rückkopplungszweig während des Hochlaufs des Motors in der Phase verschoben sind. Die zu stabilisierende Drehzahl ist dann erreicht, wenn die Phasenverschiebung der beiden Ströme Null wird.A clock drive without a mechanical commutator has also become known, in which a synchronous motor, which has a permanent magnet rotor, consists of a DC source is fed via an electronic Schwiligungsgenerator. The stator is provided with two coils, which are connected via transistors from a direct current source been fed. It gets either one or the other stator coil from one Electricity flowing through it. For this it is necessary that either one or the other Transistor is current-permeable. The current permeability of these two transistors is controlled by a phase reversing transistor. The electronic vibration generator consists of a. One-to-s and one output circuit, which is connected by a first Feedback branch are interconnected. There is also one with the in the engine Rotor attached magnetically coupled feedback winding, whose signal from the speed of the motor is dependent and via a second feedback circuit the Input circuit is supplied. The stabilization of the engine speed to a target value depends on the phase response of the second feedback loop. The two feedback loops work together via two coupling capacitors, the currents being the feedback branch are shifted in phase while the motor is running up. The one to be stabilized The speed is reached when the phase shift of the two currents is zero.

Es handelt sich bei der bekannten Anordnung somit zwar um einen aus einer Gleichstroinquelle gespeisten Motor, welcher auf eine konstante Drehzahl stabilisiert wird, jedoch bringt der Aufbau dieses Motors verschiedene Nachteile mit sich. Da nur zwei um 1800 gegeneinander versetzte Erregerspulen vorgesehen sind, welche immer nur abwechselnd an die Stromquelle angeschlossen sind, kann der Motor nur aus bevorzugten Stellungen des Läufers anlaufen, es müssen daher besondere Anlaufhilfsmittel verwendet werden. Dieser bekannte Motor läuft zwar in bestimmter Richtung auf seine Enddrehzahl hoch, die Richtung, in welcher der Motor anfänglich anläuft, ist jedoch nicht eindeutig. Die beiden Erregerspulen werden im Takt der Oszillatorfrequenz an die Stromquelle angeschlossen, erhalten also in Abhängigkeit von dieser Frequenz Stromimpulse. Im Leerlauf wird die Motordrehzahl somit auf einen Wert stabilisiert, welcher der Oszillatorfrequenz entspricht. Sollte je- doch bei Belastung des Motors die auf den Läufer wirkende Masse die Trägheit der gesamten Anordnung erhöhen, so kann leicht der Fall eintreten, daß der Läufer seinen notwendigen Winkelweg noch nicht zurückgelegt hat, wenn der nächste Stromimpuls kommt, so daß der Läufer in der entgegengesetzten Richtung bewegt wird. Auf diese Weise wird der Läufer dann Pendelbewegungen ausführen. Dieser bekannte Motor ist also äußerst masseempfindlich.Although the known arrangement is a motor fed from a direct current source, which is stabilized at a constant speed, the structure of this motor has various disadvantages. Since only two excitation coils are provided, offset from one another by 1800 , which are only alternately connected to the power source, the motor can only start from preferred positions of the rotor, so special starting aids must be used. Although this known motor runs up to its final speed in a certain direction, the direction in which the motor initially starts is not clear. The two excitation coils are connected to the power source at the rate of the oscillator frequency, and thus receive current pulses as a function of this frequency. When idling, the engine speed is thus stabilized to a value which corresponds to the oscillator frequency. If JE but the mass acting on the rotor in the motor load increase the inertia of the entire arrangement, as can easily be the case that the runner has not yet completed its necessary angular path when the next current pulse is such that the runners in is moved in the opposite direction. In this way the runner will then perform pendulum movements. This known motor is therefore extremely sensitive to mass.

Ein weiterer bekannter Motor weist einen mehrpoligen Dauerinagnetläufer auf. Im Ständer dieses Motors sind eine Steuerspule und eine Arbeitsspule untergebracht. Die Arbeitsspule wird über einen Transistor aus einer Batterien gespeist. Die Stromdurchlässigkeit des Transistors wird einerseits von der Steuerspule und andererseits von einem im Basiskreis des Transistors anaebrachten mechanischen Schwinger überwacht. In Reihe mit der Steuerspule liegt eine weitere Spule, in welche von einem auf der Welle eines Synchronmotors angebrachten Dauermagneten Spannungsimpulse induziert werden. Die Phasenlage der Spannungen der Steuerspule und der erwähnten zweiten Spule wird zur Regelung, der C C, Drehzahl des Motors bzw. zum Betrieb desselben herangezogen. Diese bekannte Anordnung ist sehr aufwendig wegen der zahlreichen zum Betrieb des Motors erforderlichen Einzelteile, und der Motor läuft auch nicht aus jeder Stellung heraus an, sondern es wird dazu eine bevorzugte Stellung benötigt.Another known motor has a multi-pole permanent magnet rotor. A control coil and a work coil are housed in the stator of this motor. The work coil is fed from a battery via a transistor. The current permeability of the transistor is monitored on the one hand by the control coil and on the other hand by a mechanical oscillator attached to the base circuit of the transistor. In series with the control coil is another coil in which voltage pulses are induced by a permanent magnet attached to the shaft of a synchronous motor. The phase position of the voltages of the control coil and the mentioned second coil is used to regulate the C C, speed of the motor and to operate the same. This known arrangement is very expensive because of the numerous individual parts required to operate the engine, and the engine does not start from every position, but a preferred position is required for this.

Es sind noch zwei andere Gleichstrommotoren bekanntgeworden, bei welchen die Motorwicklung über einen Transistor gespeist wird. Die Stromdurchlässigkeit des Transistors und damit die Phasenlage der Speisespannun.-.simpulse wird bei diesen Anordnungen durch einen vom Motor selbst angeregten mechanischen Schwinger gesteuert. Dieser Schwinger stellt für den Motor ein zusätzliches Bauteil dar und ist darüber hinaus, insbesondere gegen Erschütterungen, sehr störanfällig, wodurch der Betrieb des Motors nicht immer gewährleistet ist. Bevor die Regelwirkung dieses Schwingers überhaupt einsetzen kann, muß der Motor darüber hinaus noch angeworfen werden. Ein Selbstanlauf dieses Motors ist nicht möglich.Two other DC motors have become known in which the motor winding is fed via a transistor. The current permeability of the transistor and thus the phase position of the supply voltage Arrangements controlled by a mechanical oscillator excited by the motor itself. This transducer represents an additional component for the engine and is above it in addition, particularly against vibrations, very susceptible to failure, whereby the operation of the motor is not always guaranteed. Before the regulating action of this oscillator can start at all, the engine must also be started. A This motor cannot start automatically.

In einer schon vorgeschlagenen Anordnung wird ein bürstenloser Gleichstrommotor, dessen Ständerspulen über Transistoren gespeist werden, dadurch betrieben, daß bei Ausbildung des Motors mit vier Ständerspulen je zwei dieser Spulen zusammengefaßt sind. In den Basiskreisen der Transistoren liegen Steuerspulen, die entsprechend den Ständerspulen zusammengefaßt sind und je zwei an die Ausgänge einer astabilen Kippstufe als Drehzahlgeber angeschlossen sind. Dieser Drehzahlgeber sendet an seine Ausgangsklemmen abwechselnd Impulse gleichen Potentials. Es wird so eingestellt, daß die Impulsfrequenz der jeweils gewünschten Drehzahl entspricht.In an already proposed arrangement, a brushless DC motor, the stator coils are fed via transistors, operated characterized in that when the motor with four stator coils in each case two of these coils are combined. In the base circuits of the transistors there are control coils which are combined according to the stator coils and two each are connected to the outputs of an astable multivibrator as a speed sensor. This speed sensor alternately sends pulses of the same potential to its output terminals. It is set so that the pulse frequency corresponds to the desired speed in each case.

Durch die Erfindung wird ein Motor der eingangs beschriebenen Art angegeben, durch welchen die Nachteile der bekannten Anordnungen vermieden werden. Die Erfindung besteht darin, daß die Hilfsfrequenz so gewählt ist, daß sie als Leitfrequenz zur Synchronisierung der Drehzahl des Motors unterhalb der durch die Gegen-EMK in der Ständerwicklung bestimmten Enddrehzahl dient. Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch die herabgesetzte Steuerfrequenz eine drehmomentmäßig optimale Beaufschlagung der Ständerspulen erzielt wird, und zwar dadurch, daß die Kommutierungsfrequenz und die Frequenz der Steuerwechselspannung übereinstimmen. Hierdurch wird die wirksamste Aussteuerung der Transistoren erreicht.The invention provides a motor of the type described above indicated by which the disadvantages of the known arrangements are avoided. The invention consists in that the auxiliary frequency is chosen so that it is used as the master frequency to synchronize the speed of the motor below that determined by the back EMF in the stator winding is used to determine the final speed. The advantage of the invention is there in that due to the reduced control frequency an optimal torque Acting on the stator coils is achieved by the fact that the commutation frequency and the frequency of the AC control voltage match. This will make the most effective Level of transistors reached.

An Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Der nur schematisch dargestellte Gleichstrommotor besitzt einen polarisierten Läufer 1, dessen Achse 2 einen im bestimmten Winkel zur Polarisation des Läufers angeordneten Verteilerfinger 3 aus ferromagnetischem Material trägt. Der Läufer bewegt sich im Feld von Statorwicklungen 4, 5 und 6, die über die Emitter-Kollektor-Strecke von Transistoren 7, 8 und 9 an eine nicht dargestellte Gleichspannungsquelle anschließbar sind. Die Basen der Transistoren liegen an Steuerspulen 10, 11, 12, die im Bereich des Verteilerfingers 3 angeordnet sind. Die magnetische Erregung des Verteilerfingers erfolgt durch einen Oszillator 13. Die Frequenz des Osziallators ist so eingestellt, daß sie eine Drehzahl des Läufers erzeugt, die unterhalb der durch die in den Statorwicklungen 4, 5 und 6 erzeugten Gegen-ENIK bestimmten Enddrehzahl liegt. Die Drehbewegung des Läufers kommt dadurch zustande, daß die dem Verteilerfinger am nächsten liegende Steuerspule den zugehörigen Transistor durchschaltet, so daß die Statorwicklung auf den Läuferpol eine anziehende Wirkung ausübt. Der Läufer setzt sich in Bewegung und bringt den Verteilerfinger 3 in den Bereich der nächsten Steuerspule. Der zugehörige Transistor schaltet dann die nächste Statorwicklung an Spannung, die ihrerseits den Läufer in derselben Richtung antreibt, so daß schließlich ein Drehfeld entsteht und die Drehzahl des Läufers allmählich auf die Oszillatorfrequenz synchronisiert wird. Maßgebend für die Synchronisierung ist, daß nur eine Richtung der Steuerspannung in den Steuerspulen die Transistoren öffnen kann. Unter der Annahme, daß der Motor bereits synchron läuft, muß sich die Phasenlage des Verteilerfingers und des Läufers derartia einstellen, daß in der jeweils zugeordne,-ten Steuerspule eine Spannung induziert wird, die ganz oder teilweise die Richtung zur Steuerung des zugeordneten Transistors besitzt. Sollte der Läufer sich aus irgendeinem Grund zu einer höheren Drehzahl hin aus der richtigen Phasenlage herausdrehen, so wird der Anteil der nutzbaren Spannung in den Steuerspulen kleiner, so daß letztlich das Drehmoment abfällt und der Läufer wieder in die ursprüngliche Phasenlage zurückkehrt. Voraussetzung für diesen Regelvorgang ist aber, daß der Motor eine höhere Enddrehzahl als die durch die Leitfrequenz erreichte Drehzahl besitzt. Mit Rücksicht auf den Wirkungsgrad sollte die Enddrehzahl nicht sehr weit über der durch die Leitfrequenz bestimmten Drehzahl liegen. Mit Rücksicht auf den Wirkungsgrad ist es auch von Vorteil, die Steuerspannungen so groß festzulegen, daß die Transistoren während des wesentlichsten Teils der öffnungszeit übersteuert werden und somit als Schalttransistoren arbeiten. Die Gefahr einer Überlastung der Transistoren durch einen überhöhten Anlaufstrom beim Anlassen des Motors, die wegen der zunächst fehlenden Gegen-EMK auftreten könnte, ist dadurch ausgeschaltet, daß im Augenblick des Einschaltens eine der Statorwicklungen von der Leitfrequenz gesteuert fortlaufend mit Impulsen erregt wird. Der Wicklungsstrom steigt gegen die Wicklungsinduktivität bis zu einem bestimmten Wert an, wird dann aber unterbrochen und beginnt beim nächsten Impuls wieder von Null ausgehend, ohne den statischen Endwert zu erreichen.The invention is explained in more detail using the exemplary embodiment shown in the drawing. The direct current motor, shown only schematically, has a polarized rotor 1, the axis 2 of which carries a distributor finger 3 made of ferromagnetic material and arranged at a certain angle to the polarization of the rotor. The rotor moves in the field of stator windings 4, 5 and 6, which can be connected to a direct voltage source (not shown) via the emitter-collector path of transistors 7, 8 and 9. The bases of the transistors are connected to control coils 10, 11, 12 which are arranged in the area of the distributor finger 3. The magnetic excitation of the distributor finger is carried out by an oscillator 13. The frequency of the oscillator is set so that it generates a speed of the rotor which is below the final speed determined by the counter-ENIK generated in the stator windings 4, 5 and 6. The rotary movement of the rotor is due to the fact that the control coil closest to the distributor finger switches through the associated transistor, so that the stator winding has an attractive effect on the rotor pole. The rotor starts moving and brings the distributor finger 3 into the area of the next control coil. The associated transistor then switches the next stator winding to voltage, which in turn drives the rotor in the same direction, so that finally a rotating field is created and the rotor speed is gradually synchronized to the oscillator frequency. It is essential for the synchronization that only one direction of the control voltage in the control coils can open the transistors. Assuming that the motor is already running synchronously, the phase position of the distributor finger and the rotor must adjust such that a voltage is induced in the respectively assigned control coil, which completely or partially has the direction to control the assigned transistor. If, for whatever reason, the rotor turns out of the correct phase position to a higher speed, the portion of the usable voltage in the control coils becomes smaller, so that ultimately the torque drops and the rotor returns to the original phase position. The prerequisite for this control process, however, is that the motor has a higher final speed than the speed reached by the master frequency. With regard to the efficiency, the final speed should not be very far above the speed determined by the master frequency. With regard to the efficiency, it is also advantageous to set the control voltages so high that the transistors are overdriven during most of the opening time and thus work as switching transistors. The risk of overloading the transistors due to an excessive starting current when starting the motor, which could occur because of the initially missing back EMF, is eliminated by continuously energizing one of the stator windings controlled by the master frequency with pulses at the moment of switching on. The winding current increases against the winding inductance up to a certain value, but is then interrupted and starts again from zero with the next pulse without reaching the static end value.

Die Drehzahl des Motors läßt sich bei Bedarf durch Änderung der Leitfrequenz innerhalb eines begrenzten Drehzahlbereiches einstellen. Sofern der erfindungsgemäße Motor in ein Gerät eingebaut wird, das sowohl mit einer Batterie als auch mit einem Netzgerät betrieben wird, ist es vorteilhaft, bei Netzbetrieb die sehr frequenzkonstante Netzwechsselspannung als Leitfrequenz zu verwenden.If necessary, the speed of the motor can be adjusted by changing the digital frequency set within a limited speed range. If the invention Motor is built into a device that works with both a battery and a Mains unit is operated, it is advantageous to use the very constant frequency in mains operation AC voltage to be used as the digital frequency.

Claims

Patent claims: 1. Brushless DC motor with polarized rotor and stator coils fed by transistors, in which the transistors can be controlled by an auxiliary frequency that can be inductively coupled into their control circuits depending on the rotation angle of the rotor in the sense of generating a rotating field in the stator winding. characterized in that the auxiliary frequency is chosen so that it serves as the master frequency for synchronizing the speed of the motor below the final speed determined by the back EMF in the stator winding.

2. DC motor according to claim 1, characterized in that the synchronized speed is 10 to 25 1 / o lower than the final speed, as determined by the back EMF at the same torque output. 3. DC motor according to spoke 1 or 2, characterized in that the auxiliary frequency (13) via a provided on the rotor axis, alternately an inductive coupling to control coils (10, 11, 12) producing distributor (3) to the respective control coil of the stator windings (4, 5, 6) of the motor acts on transistors which switch through a direct voltage source and that the control coils are designed so that the transistors are overdriven during the largest time segment of the opening. 4. DC motor according to one of claims 1 to 3, characterized in that a transistor oscillator is provided for generating the master frequency. 5. DC motor according to one of claims 1 to 4, characterized in that when power is supplied via a mains connection device, the mains frequency is used as the master frequency. Considered publications: German Auslegeschriften No. 1060 327, 1128 018; French supplementary Patents # 68 406 74 145. USA. Patents No. 2980839, 2994 023. Considering -ezo, CRENE older patents. CD German Patent No. 1,214,770..