DE1293320B

DE1293320B - Kollektorloser Gleichstrommotor

Info

Publication number: DE1293320B
Application number: DEB85114A
Authority: DE
Inventors: Mieslinger Winfried
Original assignee: Buehler GmbH
Current assignee: Buehler GmbH
Priority date: 1965-12-23
Filing date: 1965-12-23
Publication date: 1969-04-24
Also published as: GB1131759A; FR1505991A; CH458508A; US3475668A; CS169755B2; AT265440B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen kollektorlosen Gleichstrommotor mit einem Permanentmagnet-Rotor und einer feststehenden, mehrpoligen Ankerwicklung mit mehreren Wicklungssträngen, die von einer Gleichspannungsquelle über eine Transistorsteuerschaltung gespeist sind, welche aus einer der Anzahl der Wicklungsstränge gleichen Zahl zu einer geschlossenen Kette miteinander verbundener Steuerstufen besteht, die jeweils mindestens einen den Stromfluß durch den zugeordneten Wicklungsstrang des Motors steuernden Leistungstransistors aufweisen.
Zum Betrieb kollektorloser Gleichstrommotoren muß in der feststehenden Ankerwicklung ein umlaufendes Magnetfeld, .erzeugt, werden, dem der Permaiientniägnet-Rotör folgt: -Dazu wird die Betriebsgleichspannüng-nacheinander in einem bestimmten Umlaufsinne auf die einzelnen Wicklungsstränge der Ankerwicklung `geeb-en, --'die = gleichmäßig über den Umfang der Maschine verteilt angeordnet sind. Das Weiterschalten der Betriebsgleichspannung von Wicklungsstrang zu Wicklungsstrang erfolgt mittels einer elektronischen Steuerschaltung, die als Multivibrator oder als Ringketten-Folgeschaltung ausgebildet sein kann.
Bei einem bekannten Motor ist die Steuerschaltung so ausgebildet, daß jeder Wicklungsstrang über einen Leistungstransistor angesteuert wird, dessen Basis über einen Widerstand mit dem vorhergehenden Wicklungsstrang in Verbindung steht. Durch die in den Wicklungssträngen bei Drehung des Permanentmagnet-Rotors induzierte Gegenspannung wird der Leistungstransistor des anderen Wicklungsstrangs angesteuert. Dieser Motor weist eine gerädzählige Anzahl von Wicklungssträngen :auf, . so daß sieh. der Rotor in beiden Richtungen drehen kann. Es muß also, wie bei sämtlichen bekannten kollektorlosen Gleichstrommotoren, eine Einrichtung vorgesehen sein, die ein Anlaufen des Rotors in einer bestimmten Drehrichtung gewährleistet.
Bei den bekannten Steuerschaltungen wird zur Erzielung eines günstigen Anlaufdrehmoments der Maschine und zur Festlegung :einer bestimmten Drehrichtung ein über einen begrenzten@Anläuf=Drelizahl-" bereich wirksamer Hilfskollektor verwendet, der in Abhängigkeit von der Stellung des Rotors jeweils nur die Ansteuerung eines bestimmten Wicklungsstranges erlaubt und dadurch eine bestimmte Drehrichtung festlegt. Eine mit Schleifkontakten arbeitende Einrichtung dieser Art bringt zwar den Vorteil eines hohen (Anlaufdrehmoments, jedoch den Nachteil; daß sie me- -`chanisch beanspruchte und daher einerAbnutzung unterworfene und Reibung verursachende Teile aufweist. iw Es sind auch bereits Einrichtungen vorgeschlagen ordere, bei denen der mechanische Hilfskollektor durch einen berührungsfreien elektronischen Hilfskollektor ersetzt wird. Ein solcher, beispielsweise mit magnetfeldabhängigen Widerständen versehener, elektronischer Hilfskollektor vermeidet zwar die vorstehend genannten Nachteile eines mechanischen HilfskolIektors, erfordert jedoch einen nicht unbeträchtlichen fertigungs- und schaltungstechnischen Aufwand, der die Steuerschaltung verteuert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Steuerschaltung für einen kollektorlosen Gleichstrommotor so auszubilden, daß ein sicheres Anlaufen des Motors in einer gewünschten Drehrichtung unter Vermeidung der vorstehend aufgeführten Nachteile gewährleistet ist. Diese Aufgabe wird bei dem eingangs geschilderten Motor erfindungsgemäß dadurch , gelöst, daß jede Steuerstufe über ein erstes RC=Glied einheitlicher Bemessung mit der nachfolgenden Steuerstufe und über ein zweites RC-Glied einheitlicher, aber von den ersten RC-Gliedern verschiedener Bemessung mit der vorangehenden Steuerstufe verbunden ist.
Mit einer solchen Steuerschaltung können mechanische oder elektronische Hilfskollektoren vermieden werden. Die Ansteuerung der einzelnen Stränge der Ankerwicklung erfolgt über den ganzen Drehzahlbereich allein mit-, Hilfe der durch den umlaufenden Permanentmagnet- in den einzelnen Wicklungssträngen erzeugten Wechselspannung. Mit dieser Steuerschaltung wird auch ein günstiger Wirkungsgrad des Motors erzielt.
Jedem Leistungstransistor :ist ein seinen Basiskreis beeinflussender Vortransistor zugeordnet, der einen mit den anderen Vortransistoren gemeinsamen Kollektorwiderstand hat und einen zwischen Basis und Kollektor geschalteten Gegenkopplungswiderstand aufweist. Die Schaltungsteile sind so bemessen, daß der Beginn .der Ansteuerung zum Anlauf des Motors aus dem Stillstand heraus durch die Eigenresonanz der Steuerstufen erzielt wird, sobald die Betriebsgleichspannung eingeschaltet wird. Dabei ist es gleichgültig, welche. der Steuerstufen der Steuerschaltung mit dem Ansteuern beginnt, wobei die naturgemäß gegebenen geringfügigen Unterschiede in der Größe -der Schaltungsteile der einzelnen Steuerstufen und die Stellung des Permanentmagnet-Rotors gegenüber den einzelnen# Wicklungssträngen und die dadurch beeinflußte Induktivität dieser Wicklungsstränge eine Rolle Spielen. Durch ein auch empirisch feststellbares optimales Verhältnis der Werte der RC-Glieder der beiden RC-Glieder-Ketten wird ein Anlauf des Rotors in einem bestimmten gewünschten Drehsinn gewährleistet, d. h.. ein Weiterschalten der Steuerstufen der Steuerschaltung in einer bestimmten Folge gewährleistet. Durch eine Vertauschung der Anschlüsse der beiden RC-Glieder einer jeden Steuerstufe mit Hilfe eines Umschalters kann der Richtungssinn der beiden RC-Glieder-Ketten und damit auch die Drehrichtung des Rotors umgekehrt werden.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung, auf der eine mit der Ankerwicklung eines kollektorlosen Gleichstrommotors gekoppelte, erfindungsgemäß ausgebildete Steuerschaltung dargestellt ist. Die .Ankerwicklung des betrachteten Motors weist drei Wicklungsstränge 1, 2, 3 auf, die in nicht dargestellter Weise einer Drehstromwicklung entsprechend um jeweils 120° gegeneinander versetzt über den Umfang der Maschine in Sternschaltung angeordnet sind und deren Sternpunkt mit dem Minuspol einer Gleichspannungs-Betriebsquelle 4 verbunden ist.
Jeder Wicklungsstrang 1, 2, 3 liegt im Kollektorzweig eines Leistungstransistors 5, 6, 7, dem zwecks einer günstigen Leistungsverstärkung in an sich bekannter Weise jeweils ein an die Basis des Leistungstransistors mit seinem Emitter geschalteter Vortransistor 9, 10, 11 zugeordnet ist. Die Kollektoren dieser Vorstransistoren sind über einen gemeinsamen Widerstand 8 mit dem Minuspol der Gleichspannungs-Betriebsquelle 4 und jeweils über einen Gegenkopplungswiderstand 21, 22, 23 mit der Basis der Vortransistoren verbunden.
Die Leistungstransistoren 5, 6 und 7 bilden zusammen mit ihren Vortransistoren 9, 10 und 11 einzelne Steuerstufen der Steuerschaltung, die untereinander gleich sind. Jede dieser Steuerstufen ist über ein erstes, aus einem Elektrolytkondensator 12 und einem Widerstand 16 gebildeten RC-Glied 13, 14 oder 15 mit der nachfolgenden Steuerstufe zu einer geschlossenen Ringschaltung verbunden, also beim dargestellten Ausführungsbeispiel in der geschlossenen Schaltfolge: »Leistungstransistoren 5 - 6 - 7 - 5«. Außerdem ist jede Steuerstufe über ein zweites RC-Glied 17,18 oder 19 einheitlicher Bemessung mit der vorangehenden Steuerstufe verbunden, also beim dargestellten Ausführungsbeispiel in der Folge: »Leistungstransistoren 5 - 7 - 6 - 5«. Die ersten und zweiten RC-Glieder 13, 14, 15 bzw.17, 18, 19 sind einander ungleich, bewirken also eine unterschiedliche Phasenverschiebung der in den Ankerwicklungssträngen 1, 2, 3 durch den umlaufenden Permanentmagnet-Rotor des Motors erzeugten Wechselspannungen. Die Werte der beiden RC-Glieder lassen sich in ein auch empirisch zu ermittelndes günstiges Verhältnis zueinander setzen, bei dem unter Beibehaltung eines günstigen Wirkungsgrades des Motors ein Anlauf und Umlauf des Motors immer in der gleichen Richtung gewährleistet ist. Dadurch wird also beispielsweise erreicht, daß die im Wicklungsstrang 1 der Ankerwicklung induzierte Wechselspannung immer zuerst über das RC-Glied 13 den Vortransistor 10 des Leistungstransistors 6 der nachfolgenden Steuerstufe in die Durchlaßstellung schaltet und nicht den über das zweite RC-Glied 17 gekoppelten Vortransistor 11 des Leistungstransistors 7 der in der geschlossenen Steuerkette vorangehenden Steuerstufe.
Die Wirkungsweise der Steuerschaltung ist folgende: Nach dem Anlegen der Gleichspannungs-Betriebsquelle 4 an die Steuerschaltung durch Schließen eines Schalters 24 beginnt zunächst eine der Steuerstufen mit dem Schließen des Vortransistors 9, 10 oder 11, so daß über den zugehörigen Leistungstransistor 5, 6 oder 7 ein Gleichstrom vom Pluspol der Betriebsspannungsquelle 4 über den Emitter und den Kollektor des Leistungstransitors und durch den zugeordneten Strang 1, 2 oder 3 der Ankerwicklung zum Minuspol der Betriebsspannungsquelle 4 fließt. Das dadurch im Wicklungsstrang erzeugte Magnetfeld bewirkt ein Drehmoment auf den Permanentmagnet-Rotor. Der Rotor beginnt mit einer Drehbewegung, wodurch in den Ankerwicklungssträngen eine Spannung erzeugt wird. Die im gleichstromdurchflossenen Wicklungsstrang, beispielsweise dem Strang 1, induzierte Wechselspannung ist der Gleichspannung überlagert und gelangt über den Kopplungskondensator 12 des ersten RC-Gliedes 13 auf die nachfolgende Steuerstufe mit dem Vortransistor 10, sowie über den Kopplungskondensator 25 des zweiten RC-Gliedes 17 auf die vorangehende Steuerstufe mit dem Vortransistor 11. Die Steuerstufen sind so bemessen, daß bei einem Absinken der auf einen zwischen der Basis eines Vortransistors und dem Pluspol der Betriebsspannungsquelle 4 angeordneten Elektrolytkondensator 20 anfallende Teil der übertragenen Wechselspannung in die Nähe seines negativen Scheitelpunktes, im vorliegenden Fall zunächst der Vortransistor 10, schließt und damit ein Gleichstromfluß über den Emitter-Kollektorkreis des zugeordneten Leistungstransistors 6 in den Ankerwicklungsstrang 2 eingeleitet wird. Durch die unterschiedliche Bemessung. der RC-Glieder 13 und 17 wird erreicht, daß stets der nachfolgende Vortransistor 10 vor dem vorangehenden Vortransistor 11 geschaltet wird. Die Schaltungselemente des RC-Gliedes 13 und der Kondensator 20 können beim Ausführungsbeispiel zweckmäßig so bemessen sein, daß eine Nacheilung der die Basis des nachfolgenden Vortransistors 10 steuernden Wechselspannung gegenüber der im Wicklungsstrang 1 induzierten Wechselspannung um etwa 60 elektrische Grad erzielt wird. Nach der Einleitung der Drehbewegung durch einen Gleichstromfluß durch den Wicklungsstrang 1 wird also der Rotor des Motors stets in Richtung auf den Wicklungsstrang 2 und weiter auf den Wicklungsstrang 3 und der dadurch festgelegten Drehrichtung gezogen.
Die Steuerschaltung bewirkt also eine fortlaufende, durch die in den Wicklungssträngen induzierte Wechselspannung getaktete Weiterschaltung von Steuerstufe zu Steuerstufe und damit des Gleichstromflusses von Wicklungsstrang zu Wicklungsstrang in einer bestimmten Umlaufrichtung vom Beginn des Motorbetriebes an.
Wie bereits eingangs erwähnt, könnte die Drehrichtung durch eine Vertauschung der Anschlüsse der beiden unterschiedlichen RC-Glieder mit Hilfe eines Umschalters erzielt werden. Ein Umschalten der Drehrichtung könnte auch durch eine Änderung der Widerstände der beiden RC-Glieder in entgegengesetzter Richtung erreicht werden. Die Zahl der Wicklungsstränge und dementsprechend die Zahl der Stufen der Steuerschaltung ist nicht auf drei begrenzt Das gleiche gilt für die Polzahl der Maschine.

Claims

Patentansprüche: 1. Kollektorloser Gleichstrommotor mit einem Permanentmagnet-Rotor und einer feststehenden mehrpoligen Ankerwicklung mit mehreren Wicklungssträngen, die von einer Gleichspannungsquelle über eine Transistor-Steuerschaltung gespeist sind, welche aus einer der Anzahl der Wicklungsstränge gleichen Zahl zu einer geschlossenen Kette miteinander verbundener Steuerstufen besteht, die jeweils mindestens einen den Stromfluß durch den zugeordneten Wicklungsstrang des Motors steuernden Leistungstransistors aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß jede Steuerstufe über ein erstes RC-Glied (13, 14 bzw.15) einheitlicher Bemessung mit der nachfolgenden Steuerstufe und über ein zweites RC-Glied (17, 18 bzw.19) einheitlicher, aber von den ersten RC-Gliedern verschiedener Bemessung mit der vorangehenden Steuerstufe verbunden ist.
2. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Leistungstransistor (5, 6, 7) ein seinen Basiskreis beeinflussender Vortransistor (9, 10, 11) zugeordnet ist und alle Vortransistoren (9, 10, 11) einen gemeinsamen festen oder verstellbaren Kollektorwiderstand (8) haben.
3. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vortransistoren (9, 10, 11) einen zwischen Basis und Kollektor geschalteten Gegenkopplungswiderstand (21, 22, 23) aufweisen.
4. Kollektorloser Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung einen Drehrichtungs-Umschalter aufweist, mit dessen Ulfe die Anschlüsse der beiden LG-Glieder (13, 14, 15 und 17, 18, 19) einer jeden Steuerstufe vertauschbar sind und damit der Richtungssinn der beiden .Re-Glieder-Ketten umkehrbar ist.