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Bürstenloser Elektromotor Die Erfindung betrifft einen bürstenlosen
Elektromotor mit einen Anker mit mehrphasigen -Ankerwicklungen, mit einem Rotor
mit Magnetpolen, der sich gegenüber dem Anker verdrehen läßt, mit einem statischen
Kommutator mit Hatbleiter-Schaltern zum . - - -Zuführen von Ankerstrom in der Reihenfolge
der Ankerphasen, mit einer Stellungs-Abtasteinrichtung zur Bestimmung der Stellung
des Rotors gegenüber dem Anker, und mit einer Torsteuerung, die von der Stellungs-Abtasteinrichtung
angesteuert wird und den statischen Kommutator steuert.
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Mit der Patentanmeldung Nr . (Anwaltszeichen: T 32) ist bereits ein
ähnlicher bürstenloser Elektromotor beschrieben worden, dessen Stellungs-Anzeigeein
richtung mit den Eingangs anschlüssen der Ankerwicklung verbunden ist und damit
auf die Gegen-EMK anspricht, welche durch die magnetomotorischen Kräfte der Magnetpole
des Rotors in die Ankerwicklung induziert wird.
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Die Stellungs-Abtasteinrichtung erzeugt Steuersignale, welche zur
Ansteuerung der Torsteuerung benutzt werden, welche den statischen Kommutator steuert.
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Während der innerhalb der oben genannten Patentanmeldung beschr-iebene
bürstenlose Elektromotor des gleichen Anmelders bei normalen Motordrehzahlen zufriedenstellend
arbeitet, bleibt dessen Betrieb bei niedrigen Drehzahlen unbefriedigend, Alle in
der zugeführten Gleichspannung enthaltenen Störungen überlagern sich der abgetasteten
Gegen-EMK. Besitzt diese Gegen-EMK einen hohen Wert, so fallen die überlagerten
Störungen nicht ins Gewicht.
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Bewegt sich jedoch der Motor mit niedrigen Drehzahlen, wobei die Gegen-ENK
relativ klein ist, so wachsen die überlagerten Störungen verhältnismeßiq stark an
und können das Schaltverhalten des statischen Kommutators stören. Anstelle einer
einzelnen korrekten Schaltoperation kann eine Zeitspanne auftreten, während der
die Phasen r:ehrfach ein- und abqeschaltet werden. Das kann zu einer Reduzierung
der Komnrntations-Energie und zum eventuellen Ausfall der-gesmmten Komrutation führen.
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Ls ist daher t.ufgabe der Erfindung, einen bürstenlosen Elektromotor
zu schaffen, dessen Kommutation auch bei niedrigen Drehzahlen einwandfrei arbeitet.
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Erfindungsgemäß wird die-se Aufgabe dadurch gelöst, daR die Stellungs-Abtasteinrichtung
mi£ den Eingangsanschlüssen der Ankerwicklungen so verbunden-ist, daß sie durch
die Gegen-EMK erregt wird, welche durch die magnetomotorischen Kräfte der Magnetpole
des- Rotors in die Wicklungen induziert wird; -und daß eine logische Schaltung an
den Ausgang der Stellungs-Abtasteinrichtung angeschlossen ist, welche vorbestimmte
Signale erzeugt, die von der Winkelstellung des Rotors gegenüber dem Anker abhängig
sind und der Tor steuerung zugeführt werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles
und einiger Abwandlungen in Verbindung mit einer Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 ein schematisches Schaltbild der erfindungsgemäßen
Steuereinrichtungen für einen bürstenlosen Elektromotor; Fig. 2a ein Diagramm mit
den in Ankerwicklungen induzierten Gegen-EMK; Fig. 2b eine Diagramm-Ubersicht über
Schaltzustände von in Fiq. 1 enthaltenen Foto-Lunineszenz-Dioden; Fig. 2c ein Diagramm
mit der Schaltfolge von in einem statischen Kommutator der Schaltung aus Fig. 1
enthaltenen Thyristoren; Fig. 3a eine schematische Darstellung mit den Verlauf des
Spannungsunterschiedes zwischen zwei Ankernhasen, wenn der Motor mit niedriger Drehzahl
läuft; Fig. 3b, 3c und 3d eine graphische Ubersicht jiber die Arbeitsfolge der Foto-Lumineszenz-Dioden
in Verbindung mit Fig. 3a; Fig. 3e eine entsprechende graphische Darstellung der
laufenden Folge von Ausgangssignalen einer logischen Schaltung geB Fig. 4; Fig.
4 ein Blockschaltbild einer logischen Schaltung; Fig. 5 ein Schaltbild einer anderen
Ausführung für einen bürstenlosen Elektromotor; Fig. 6, 7 und 8 Schaltbilder von
weiteren erfindungsgemäßen Abwandlungen.
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Fig. 1 der Zeichnung zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für
einen-bUrstenlosen Elektromotor ;10 mit ~ einem Anker 11, dessen drei Phasenwicklungen
U, V und W in Drei-Phasen-Sternschaltung zu einer- Ankerwicklung 12
vereinigt
sind. Des weiteren besitzt der bürstenlose Elektromotor 10 einen zweipoligen Rotor
13 mit einem Nordpol N und einem Südpol S. Obwohl der Rotor 13 in Fig. 1 als Perma-nentmagnet-Typ
dargestellt ist, könnte der Rotor auch mit einer gleichstrom-erregten Wicklung versehen
sein. Ferner ist ein statischer Kommutator 14 vorhanden, der aus sechs Thyrstoren
S1 bis S6 in Form einer Dreiphasen-Vollweg-Gleichrichterschaltung zusammengesetzt
ist und die einzelnen Phasenwicklungen U, V und W des Ankers 11 in einer vorbestimmten
Folge mit Ankerstrom versorgt.
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Eine Gleichspannungsquelle 15, welche beispielsweise aus einem Dreiphasen-Vollweg-Gleichrichter
mit Torsteuerung bestehen kann, liefert eine veränderliche Gleichspannung über einen
normalerweise geschlossenen Schalter 17 und eine Glättungsdrossel 16 an den statischen
Kommutator 14.
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Zur Bestimmung der relativen Stellung zwischen der Ankerwicklung 12
und den Magnetpolen des Rotors 13 und zur Ansteuerung der Thyristoren S1 bis S6
im statischen Kommutator 14 in einer vorbestimmten Folge ist eine Stellungs-Abtastschaltung
vorgesehen, welche aus sechs Eoto-Lumineszenz-Dicden Dl bis D6 besteht.
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Jede Foto-Lumineszenz-Diode D1 bis D6 ist in Serie mit einem jeweils
zugeordneten Widerstand R1 bis R6 verbunden und liegt jeweils zwischen zwei der
insgesamt drei Eingangsanschlüsse der Ankerwicklung 12.
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Wie Fig. 1 erkennen läßt, liegen jeweils zwei dieser Dioden parallel,
jedoch mit umgekehrter Polarität zwischen je zwei Eingangsanschlüssen.
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Sobald der Rotor 13 umläuft, wird in die- einzelnen Phasenwicklungen
U, V bzw. W der Ankerwicklung 12 je eine Gegen-EMK Vu, Vv bzw. Vw induziert.
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Die Diode D1 erzeugt beispielsweise einen Lichtstrahl, wenn sie von
einem Strom durchflossen wird, da die ESK Vu größer ist als Vv. Die aufeinanderfolgenden
Zeiträume, in denen die einzelnen Dioden D1 bis D6 eingeschaltet bzw. ausgeschaltet
sind, sind in Fig. 2b graphisch dargestellt, woraus sich entnehmen läßt, in welcher
vorbestimmten Folge die einzelnen Dioden Lichtstrahlen erzeugen, während der Rotor
13 umläuft. Die erzeugten Lichtstrahlen der einzelnen Dioden D1 bis D6 beleuchten
zugeordnete Foto-Transistoren 18 (siehe Fig. 1), welche sich innerhalb eines fotoelektrischen
Wandlers 19 befinden. Dieser erzeugt elektrische Signale in Abhängigkeit vom Leitungszustand
der Dioden D1 bis D6, und diese Signale werden über eine logische Schaltung 20 und
über eine Start-Stop-Schaltung 21 einer Torsteuerung 22 zugeführt, welche die Thyrlstoren
S1 bis S6 gemäß einer in Fig. 2c darqestellten Schaltfolqe durchschaltet bzw.
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löscht.
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Bei niedrigen Rotor-Drehzahlen wird der Pegel der aus der Gleichspannungsquelle
15 stammenden Ausgangsspannung unter dem Einfluß der Ttyristoren S1 bis S6 im statischen
Kommutator 14 reduziert, mit dem Ergebnis, daß die der Ankerwicklung 12 zugeführte
Spannung einen relativ niedrigen ert aufweist. Jede der zugeführten Gleichspannung
überlagerte Störung, die beispielsweise von dem die Gleichspannung liefernden Gleichrichter
stammen kann, bildet eine relatv große Amplitude gegenüber einem niedrigen Gleichspannungspegel,
während die gleiche Störung bei hohen Drehzahlen vernachlässigbar klein ist. Eine
in Fig. 3a unterbrochen gezeichnete Linie stellt die Gegen-EMK zwischen zwei Phasen
des Ankers 11 dar, wenn der Rotor mit niedriger Drehzahl läuft. Eine dieser Gegen-EMK
über lagerte Störung der Versotgunsspannung verursacht eine Verzerrung, welche
in
Fig. 3a als durchgehende Zick-Zack-Linie dargestellt ist. Zur Vereinfachung der
Darstellung ist inFig. 3a nur der Einfluß der Störungen auf die Arbeitsweise der
Lumineszenz-Dioden D1 und D4 zwischen den Phasenwicklungen U und V dargestellt.
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Wären der Gegen-EMK keine derartigen Störungen überlagert, so würden
die Dioden D1 und D4 abwechselnd Lichtstrahlen gemäß Fig. 3b erzeugen. Aufgrund
der überlagerten Störungen erzeugt jedoch die Diode D1 einen Lichtstrahl zu einem
Zeitpunkt tl, danach die Diode D4 einen Lichtstrahl zu einem Zeitpunkt t2, die Diode
Dl wiederum zu einem Zeitpunkt t3, die Diode D4 wieder bei einem Zeitpunkt t4, und
schließlich die Diode D1 zu einem Zeitpunkt t5. Das Ergebnis ist, daß die entsprechenden
Thyristoren S1 bis S6 im statischen Kommutator 14 verwirrende Zündsignale erhalten.
Diese Tatsache führt zu einer gestörten Kommutation im statischen Kommutator 14,
und der bürstenlose Elektromotor 10 arbeitet mit reduzierter Kommutations-Energie.
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Um die aus den Überlagerungen gemäß Fig. 3a resultierenden Kommutations-Störungen
zu vermeiden, befindet sich gemäß Fig. 1 zwischen dem fotoelektrischen Wandler 19
und der Torsteuerung 22 die logische Schaltung 20. Wie aus Fig, 4 entnommen werden
kann, enthält die logische Schaltung 20 sechs Und-Gatter Undl bis Und6, drei Flip-Flop-Schaltungen
FFL bis FF3, und schließlich sechs Und-Gatter Undll bis Und16. Das Gatter Undl erhät
Eingangsstgnale von der Diode Dz und von Gatter Und15 und erzeugt ein Ausqangss-igna'l
für Flip-Flop FF1.
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Gatter Und2 erhält Eingangssignale von der Diode D4 und von Gatter
Undl2 und erzeugt ein Ausgangssignal zur Rückstellung von Flip-Flop FF1. Gatter
Und 3
erhält Eingangssignale von Diode D2 und von Gatter Undl6 und
erzeugt ein Ausgangssignal zum Schalten von Flip-Flop FF2. Gatter Und4 erhält Eingangssignale
von Diode D5 und von Gatter Und 13 und erzeugt ein Ausgangssignal zur Rückstellung
des Flip-Flop FF2. Gatter Und 5 erhält Eingangssignale von Diode D3 und Gatter Und14
und erzeugt ein Ausgangssignal zum Umschalten von Flip-Flop FF3, und schließlich
erhält Gatter Und6 Eingangssignale von Diode D6 und Gatter Undll und erzeugt ein
Ausgangssignal zur Rückstellung von Flip-Flop FF3.
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Das Flip-Flop FF1 hat einen "eins"-Ausgang, der zu den Gattern tndll
und Und16 führt, und einen 1null"-Ausgang, der zu den Gattern Undl3 und Und14 führt.
Dementsprechend führt ein "eins"-Ausgang des Flip-Flop FF2 zu den Gattern Und12
und Undl4, und ein "null"-Austang dieses Flip-Flop zu den Gattern Undl und Und15.
Schließlich besitzt auch das Flip-Flop FF3 einen "eins"-Ausgang, der an die Gatter
Undl3 und Und15 gelegt ist, und einen "null"-Ausgang, der zu den Gattern Undl2 und
Undl6 führt.
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In Fig. 3e ist graphisch die zeitliche Folge von Ausgangssignalen
A1 bis A6 aufgetragen, welche die Und-Gatter Undll bis Undl6-abgeben. Man bemerke,
daß in jede beliebigen Zeitpunkt nur jeweils zwei dieser Ausgangssignale gleichzeitig
vorhanden sind. Vor dem Zeitpunkt tl sind die Gatter Undl3 und Und15 offen, Flip-Flop
FF1 und FF2 zurückgestellt, und Flip-Flop FF3 umgeschaltet. Erscheint jetzt ein
Signal von Diode D1, so wird unter Zusammenwirkung mit dem Ausgangssignal A5 das
gatter Undl geöffnet und das Flip-Flop FF1 in einen Umschaltzustand versetzt.
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Die Folge ist, daß das Gatter Und13 schließt und das Gatter Undll
offset, so daß Ausgangssignale Al und A5
abgegeben werden, welche
das Durchschalten der zugeordneten ,ThJrst6ren' innerhalb des statischen Kommutators
14 yeranlassen.
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Erscheint zum Zeitpunkt t2 ein-Signal von der Diode D4, so hat dies
keinen Einfluß auf die logische Schaltung 20, weil zu diesem Zeitpunkt kein Ausgangssignal
A2 zur -Ansteuerung des Gatters Und2 vorhanden ist. Das gleiche gilt für den Zeitpunkt
t6. Somit kann ein Signal von der Diode D4 die logische Schaltung 20 und damit den
statischen Kommutator 14 solange nicht beeinflussen, bis Gatter Und2 auch noch ein
Eingangssignal vom Gatter Undl2 erhält. Dieser Fall tritt gemäß Fig. 3a erst ein,
wenn die Gegen-EMK einen- Pegel erreicht hat, der weit außerhalb des Umschaltbereiches
liegt. So erscheint gemäß Fig. 3e ein Signal der Diode D4 wieder zum Zeitpunkt t6,
ndem das Gatter Und2 bereits durch das Ausgangssignal A2 vom Gatter Undl2 mit angesteuert
wird, so daß zu diesem Zeitpunkt eine Umschaltung der logischen Schaltung 20 und
damit ein Zünden der zugeordneten Thyrestoren im statischen Kommutator 14 erfolgt.
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Obwohl sich die obige Beschreibung auf die Funktion der logischen
Schaltung 20 im Zusammenhang mit den beiden Dioden D1 und D4 beschränkt, ist es
einleuchtend, daß die übrigen Dioden ähnliche Signale in der Weise erzeugen, daß
in jeder Kommutations-Periode jedes Ausgangssignal Al bis A6 nur einmal auftritt.
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Naturgemäß existiert keine Gegen-EMK Vor dem Anlassen des Motors 10,
so daß vor diesem Zeitpunkt auch
keine Steuersignale von den Dioden
D1 bis D6 abgegeben werden können. Es besteht also eine Schwierigkeit, einen bürstenlosen
Elektromotor'SO von sich aus zum Anlauf zu bringen. Um dem Motor Selbststarteigenschaften
zu verleihen, ist in Fig. 1 ein Dreiphasen-Vollweg-Gleichrichter 23 vorgesehen,
dessen Eingangsanschlüsse mit der Ankerwicklung 12 und dessen Gleichstrom-Anschlüsse
über einen Widerstand 24 miteinander verbunden sind. Infolge dieser Schaltung liegt
an den beiden Anschlüssen dieses Widerstandes 24 eine Gleichspannung an, welche
abhängig von der Motordrehzahl ist. Diese drehzahlabhängige Spannung am Widerstand
24 wird an den Eingang der Start-Stop-Schaltung 21 gelegt, welche über einen zweiten
Eingang aus einer Leitung 25 ein Startsignal erhält. Die Leitung 25 liegt außerdem
an der Torsteuerung 22.
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Innerhalb der Start-Stop-Schaltung 21 befindet sich ein Verzögerungsglied,
welches so durch die am Widerstand 24 anliegende Gleichspannung gesteuert wird,
daß das Verzögerungsglied nur wirksam ist, wenn die Motordrehzahl unterhalb eines
vorbestimmten Wertes liegt. Somit ist die Start-Ston-Schaltung 21 in der Lage, von
der logischen Schaltung 20 kommende Signale auf dem Wege zur Torsteuerung 22 zu
verzögern und vorübergehend den Schalter 17 zu öffnen.
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Der Startvorgang des Motors läuft folgendermaßen ab: Erscheint auf
Leitung 25 ein Startsignal, so wird der Kommutations-Bürstenvorschubwinkel des statischen
Kommutators 14 (d. h. der Phasenwinkel zwischen dem Ausgang des Kommutators 14 und
der abgeta-steten Gegen-EMK) vorgestellt, und vorgewählte Thjt:istoren -im
Kommutator
14 werden durchgeschaltet, um einen Anker strom durch vorbestimmte Phasenwicklungen
der Ankerwicklung 12 fließen zu lassen. Daraufhin werden entsprechende Dioden innerhalb
der Reihe D1 bis D6 durch Ankerschlupf leitend, und die resultierenden Lichtstrahlen
erzeugen elektrische Signale,für die logische Schaltung 20. Diese logische Schaltung
20 wiederum erzeugt die im Zusammenhang mit Fig. 3a besprochenen Ausgangssignale
Al bis A6, welche der Start-Stop-Schaltung 21 zugeführt werden.
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Bei Anliegen eines Signals auf Leitung 25 bewirkt die Start-S-top-Schaltung
21 ein kurzzeitiges offenen des Schalters 17, um zuvor durchgeschaltete Thyristoren
des statischen Kommutators 14 zu löschen. Gleichzeitig werden,- wie oben bereits
erwähnt, die vön der logischen Schaltung 20 abgegebenen Ausgangssignale durch das
Verzögerungsglied verzögert. Somit erreichen die Ausgangssignale A1 bis A6 der logischen
Schaltung 20 die Torsteuerung 22 erst, nachdem die entsprechenden Thyristoren des
statischen Kommutators 14 bereits gelöscht sind, und die Ttlyristoren für die nächste
Folge, wie in Fig. 3 aufgetragen, werden durch die Torsteuerung 22 angesteuert.