DE2340746A1 - Kollektorloser gleichstrommotor - Google Patents

Description

Papst-Motoren KG 24. Juli 1973

St.Georgen/Schwarzwald 055-Rai-HDP/schl

Karl-Maierstrasse 1
DT - 149 Tl

Kollektorloser Gleichstrom-Motor

Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen Gleichstrommotor mit einem permanentmagnetischen Rotor und mindestens einer mit diesem zusammen wirkenden Statorwicklung, welcher ein Halbleiterelement zur Steuerung des Stromes in dieser Statorwicklung zugeordnet ist,

Auf den Inhalt der Patentanmeldung

P 22 6o o69.7 wird zur Vermeidung von Längen ausdrücklich Bezug genommen.

Ko11ektor 1 öse Gleichstrommotoren benötigen zur Kommutierung des in den Wicklungen flißenden Stromes Fühl elemente, welehe der Kommutierungseinricntung die Stellung des Läufers melden, damit der Strom jeweils in der richtigen Wicklung fließt

und ein Drehmoment in der gewünschten Richtung erzeugt wird. Als Fühl elemente eignen sich insbesondere berührungslose Einrichtungen wie Hai 1 generatoren, Magnetdioden usw., die praktisch keinem Verschleiß unterworfen sind un.d dadurch eine sehr große Lebensdauer solcher Motoren bei gutern Wirkungsgrad ermöglichen.

Das einfachste und oft auch billigste Fühlelement ist eine Wicklung im Stator, in welcher von den Polen des Rotors eine Wechselspannung induziert wird, welche zur Steuerung der Kommutierung des Ankerstroms dienen kann. Da es sich dabei im Prinzip um einen sogenannten aktiven Stellungsgeber handelt, der seine Energie direkt dem Meßobjekt entzieht, versagt dieses Prinzp ir.i Stillstand des Motors, d.h. ein solcher Motor kann erst dann durch eine in dieser Wicklung induzierte Spannung kommutiert werden, wenn sich der Rotor bereits dreht.

Es sind verschiedene Anordnungen bekannt geworden, die diese Schwierigkeiten umgehen sollen: _2_

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Bei einer Anordnung (US-PS 3.o25.443 oder 2.753.5ο 1 ) benutzt man während des Anlaufs einen mechanischen Hi1fs-Kommutator oder ein Kontaktsystem, welches nach erfolgtem Hochlauf außer Betrieb gesetzt wird. Die Nachteile solcher Anordnungen sind der zusätzliche Aufwand und die grundsätzlichen Nachtei1e.der mechanischen Kontakte.

Bei einer anderen bekannten Anordnung (US-PS 3.o67.37o) ist ein besonderer Elektro-Magnet vorgesehen, mittels dessen der Motor über eine Fliehkraftkupplung angeworfen wird. Auch eine solche Anordnung ist sehr aufwendig und naturgemäß auch störanfällig.

Bei einer weiteren bekannten Anordnung (US-PS 2.81o.843) läßt man den Motor als Synchron-Motor anlaufen, indem man die Kommutierungsschaltung als selbstschv/ingenden Oszi 11 ator ausbi 1 det. Der in vielen Fällen schwerwiegende Nachteil dieses Prinzips besteht darin, daß der Motor nur sehr kleine zusätzliche Schwungmassen in Bewegung setzen kann, da er bei größeren Massen nicht in Tritt fällt, also die Betriebszahl nicht erreicht und somit kein regelmässiger Lauf zustandekommt.

Bei Motoren, bei welchen die Startstellung des Rotors durch einen am Stator angeordneten Dauermagneten definiert ist (US-PS 3.135.842, Fig.4), ist es auch bekannt, durch einen beim Einschalten bewirkten Stromimpuls in der beim Anlaufen als erstes einzuschaltenden Wicklung dem Rotor einen Startinipuls zu erteilen. Der Nachteil hierbei ist aber, daß ein solcher Motor nur Lasten mit kleinen Trägheitsmomenten, zum Beispiel Uhren oder dergleichen, antreiben kann, da Voraussetzung für die Wirksamkeit einer solchen Anordnung ist, daß der Motor sehr rasch hochläuft. Man kann nämlich die Windungszahl der zur Kommutierung dienenden Wicklung bei solchen Anordnungen nicht zu groß wählen, da sonst im Betrieb in dieser Wicklung zu hohe Spannungen auftreten wurden, welche die zur Steuerung des Stromes im Motor dienenden Halbleiterelemente zerstören würden. Bei kleinen Drehzahlen ist deshalb die induzierte Spannung in dieser Wicklung zu klein für die Kommutierung, und ein solcher Motor kann deshalb nur hochlaufen, wenn er diese niedrigen Drehzahlbereiche

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sozusagen im ersten Anlauf überwindet. Hierzu ist aber Voraussetzung, daß die zu beschleunigenden Massen sehr gering sind.

Die ßingangs erwähnten Motoren mit Kommutierung durch Halbleiterelemente haben zwar diese Nachteile nicht, das heißt, bei ihnen wird schon vom Stillstand ab ein Drehmoment erzeugt, so daß diese Motoren selbst und auch in der richtigen Richtung anlaufen. Die bekannten, hierfür verwendbaren Halbleiterelemente arbeiten aber nur bei relativ niedrigen"Temperaturen. So ist zum Beispiel bei den bekannten Hai 1 generatoren aus Galliumarsenid die Betriebstemperatur auf 65° C begrenzt, was in vielen Fällen nicht ausreicht. Zum Beispiel' können im Inneren eines Kraftfahrzeugs im Sommer Temperaturen von über 9o C auftreten, und deshalb müssen alle Teile, die für die Verwendung in Kraftfahrzeugen bestimmt sind, bei Temperaturen in diesem Bereich noch sicher funktionieren. Mit Hai 1 generatoren ist diese Forderung aber nicht erfüllbar. Dasselbe gilt für Lüfter, welche beispielsweise zur Kühlung von Datenverarbeitungsanlagen verwendet werden. Auch hier wird verlangt, daß diese Lüfter bei einer Umgebungstemperatur von 85⁰C sicher laufen. Da sich die Lüfter im Betrieb durch die elektrischen Verluste über die Umgebungstemperatur hinaus erwärmen, bedeutet dies, dass sie bei Temperaturen im Bereich von Ho - 12o C noch sicher funktionieren müssen. Motoren mit Kommutierung durch eine in einer Statorwicklung induzierte Spannung können diese Forderungen an die Temperaturfestigkeit ohne weiteres erfüllen, haben aber die eingangs erwähnten Nachteile.

Man hat deshalb auch schon die Kombination beider Prinzipien vorgeschlagen, also Anlauf mit Hal I generator und Betrieb mittels induzierter Spannung, vgl. die DT-OS 2 o63 351. Sieht man einmal davon ab, daß solche Motoren für die meisten Anwendungsfälle zu teuer werden, so erkennt man jedenfalls ohne weiteres, daß ein solcher Motor, wenn er im Betrieb einmal Temperaturen über 65⁰C erreicht hat, nach einer Abschaltung nicht mehr selbst anlaufen kann, bevor er sich genügend abgekühlt hat. Ein solches Betriebsverhalten eines Motors ist aber in den meisten Fällen nicht zulässig.

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Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, Nachteile der bekannten kollektorlosen Gleichstrommotoren zu vermeiden und insbesondere einen solchen Motor zu schaffen, dessen kontaktlose Kommutiereinrichtung eine bessere Ausnutzung der Temperaturfestigkeit moderner Isolierwerkstoffe gestattet. Vorzugsweise soll ein solcher kollektorloser Gleichstrommotor auch einen Anlauf mit relativ großen anzutreibenden tragen Massen ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird dies bei einem eingangs genannten kollektorlosen Gleichstrommotor dadurch erreicht, daß eine Wicklung zur Erzeugrtung einer gegenüber der im Betrieb vom Rotor in der genannten Statorwicklung induzierten Spannung um etwa 7o - Ho⁰, vorzugsweise um 9o , phasenverschobenen Spannung vorgesehen ist, daß diese phasenverschobene Spannung einem Integrierglied zuführbar ist, und daß das Ausgangssignal des Integrierglieds zur Steuerung des Halbleiterelements und damit des Stromes in der Statorwicklung dient. Die vorliegende Erfindung geht dabei von folgender Überlegung aus:

Für die Steuerung der Kommutierung ist bekanntlich die Kenntnis der momentanen Stellung der Läuferpole relativ zum Stator, das %ßheisst, die Kenntnis der Richtung der magnetischen Erreger-Induktion erforderlich. Die oben geschi1dertetf Schwierigkeiten· beim Anlauf eines Motors dieser Art (mit Kommutierung durch eine in einer Statorwicklung induzierte Spannung) entsteht durch die Tatsache, daß die in einer Ankerwicklung induzierte Spannung nicht dem Erregerfluß 0, sondern dessen zeitlicher Änderung proportional ist, also dessen Ableitung nach der Zeit entspricht

U.

d 0

ind~TT ·

Diese prinzipbedingte Differentiation läßt sich nach der vorliegenden Erfindung durch eine anschließende Integration, die zweckmässig auf elektronischem Wege erfolgt, wieder rückgängig miCHen, denn es gilt

.dt+C=k./U..dt

Gibt man einem solchen Motor beim Anlauf eine beliebige Integrationskonstante C^o vor, so bedeutet dies elektrisch, daß beim

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ff

Einschalten ein Strom in mindestens einer Antriebsiwcklung fließt und den Motor in Bewegung versetzt. Schon sehr geringe Drehzahlen genügen dann bei geeigneter Auslegung, um ein Signal am Ausgang des Integrierglieds zu erzeugen, welches Signal dem Fluß 0 proportional ist, also die Richtung der magnetischen Erreger-Induktion angibt, War die Anfangsbedingung der beim Start vorhandenen Rotorstellung nicht angemessen, so kann dies bedeuten, daß der Motor zunächst in der falschen Richtung anzulaufen versucht. Hierdurch wird aber sofort das Integrierglied wirksam, dessen Ausgingsdignal unabhängig von der Drehrichtung Richtung und Größe des Erregerflisses 0 angibt, so daß dann das Integrierglied praktisch genau so wirkt wie zum Beispiel ein Hai 1 generator, das heißt, der Motor wird sofort umgesteuert und läuft in der richtigen Drehrichtung hoch. Da das Ausgangssignal des Integriergliedes dem Erregerfluß 0 proportional ist, ist seine Amplitude praktisch unabhängig von der Drehzahl, so daß sich eine solche Anordnung gleichermaßen für hohe und für niedrige Drehzahlen eignet. Da das Integrierglied Speichereigenschaften hat, kann es selbst einen in falscher Richtung angelaufenen Motor in die richtige Richtung umsteuern.

Besonders vorteilhaft ist es naturgemäß, beim Anlaufen sogleich die richtige Integrationskonstante für diejenige Rotorstellung vorzugeben, in der sich der Roljor gerade befindet. Dies bedeutet praktisch, daß beim Einschalten eine oder mehrere dieser Rotorstellung adäquate Wicklungen Strom zugeführt erhalten, wodurch der Motjor immer in der richtigen Richtung startet. Dies kann man zweckmässig dadurch erreichen, daß der Motor in an sich bekannter Weise Mittel zum Erzeugen einer definierten Startstellung seines Rotors relativ zum Stator aufweist, wozu zweckmässig in an sich bekannter Weise am Stator ein mit dem Rotor zusammenwirkender Permanentmagnet vorgesehen vnrd.

In besonders vorteilhafter Weise geht man hierbei so vor, daß am Stator Weicheisenteile und mindestens ein Permanentmagnet vorgesehen sind, welche zusammen die Startstellung des Rotors definieren und daß der mindestens eine am Stator vorgesehene Permanentmagnet um η . 18o° elektrisch relativ zu einer zugeordneten

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Antriebsstatorwicklung versetzt ist, wobei η = 0, 1, 2, ... etc. ist. Dabei wird der magnetische Widerstand des Eisenkreises über dem Drehweg zweckmässig in der Weise variabel gemacht, daß an bestimmten Bereichen der Rotorumdrehung ein antreibendes Moment vorgegebener Größe zur Verfügung steht.

Nach ei.nem weiteren, sewhr vorteilhaften Merkmal der Erfindung geht man hierzu ferner so vor, daß die durch die Wirkung des Permanentmagneten unterstützte Statorwicklung eine verringerte Amperewindungszahl aufweist und im Betrieb vorzugsweise ein Drehmoment erzeugt, welches ständig kleiner ist als das vom Motor abzugebende Moment. Man erhält auf diese Weise sowohl die gewünschte Startstellung wie auch einen günstigen Verlauf des vom Motor abgegebenen Moments. Eine besonders einfache und preiswerte Lösung ergibt sich ferner dadurch, daß der am Stator vorgesehene Permanentmagnet anstelle einer Statorwicklung vorge, sehen ist.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:

Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen kollektorlosen Gleichstrommotors, der bei diesem Ausführungsbeispiel als Motor mit flachem Luftspalt ausgebildet ist-, gesehen längs der Linie I-I der Fig.2, zusammen mit der zugehörigen Schaltung,

Figur 2 einen Schnitt durch den Motor nach Figur 1, gesehen längs der Linie II-II der Figur 1,

Figur 3 einen Schnitt, gesehen längs der Linie ΙΙΙ-ΙΪΙ der Figur 1 ,

Figur 4 Schaubilder zum Erläutern der Wirkungsweise des in den Figuren 1 - 3 dargestellten Motors,

Figur 5 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Schaltung, bei welcher nur die Wicklungen des zugehörigen Motors dargestellt sind,

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Figur 6 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen kollektorlosen Gleichstrommotors,

Figur 7 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen kollektorlosen Gleichstrom-Motor nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung, gesehen längs der Linie VII-VII der Figur 8,

Figur 8 einen Schnitt, gesehen längs der Linie VIII-VIII der Fi gur 7,

Figur 9A eine Abwicklung des Motors nach den Figuren 7 und 8, bei welcher die Abmessungen des Luftspaltes zur besseren Veranschaulichung in stark vergrößertem Maßstab dargestellt sind,

Figur 9B den Verlauf der Induktion über dem in Figur 9A dargestellten abgewickelten Rotormagneten,

Figur Io Schaubilder zum Erläutern der Wirkungsweise des Motors nach den Figuren 7-9,

Figur 11 ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen kollektorlosen Gleichstrom-Motors mit nur einer Antriebswicklung,

Figur 12 eine Alternative zu der in Figur 11 gezeigten Schaltung, ebenfalls zum Betrieb mit einem Motor, der nur eine ein?i zige Antriebswicklung aufweist,

Figur 13 Schaubilder zum Erläutern der Wirkungsweise des Motors nach Figur 11 oder 12.

Figur 1 zeigt eine Draufsicht auf eine Platte Io aus isolierendem Werkstoff, welche Ausnehmungen aufweist, in denen drei eisenlose Flachwicklungen 11, 12 und 13 befestigt sind, von denen sich die beiden zum Antrieb dienenden Wicklungen 11 und 12 diametral gegenüberliegen, während die dritte.Wicklung 13, die zur Steuerung der Kommutierung dient, gegenüber der Wicklung 12 um 45° mechanisch = 9o° elektrisch versetzt ist. (Der permanentmagnetischen Scheibenrotor dieses Motors weist, wie Buchstaben N und S angedeutet, vier Pole auf.)

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Wie dargestellt, hat die Platte lo, welche auch die elfektronischen Schaltelemente des Motors tragen kann, zum Beispiel in Form einer gedruckten Schaltung, vier Befestigungslöcher 14 und eine mittlere Ausnehmung 15, durch welche eine Welle 16 ragt, die an ihrem unteren Ende (bezogen auf Figur Zi, in (nicht dargestellten) Lagern gelagert ist. Wie Figur 2 zeigt, sind auf der Welle 16, durch eine Distanzhülse 17 in einem genau vorgegebenen Abstand voneinander gehalten, zwei Weicheisenscheiben 18 und 19 befestigt, auf denen je ein axial polarisierter, als Ring ausgebildeter Dauermagnet 22 bzw. 23, zum Beispiel durch Kleben, so befestigt ist, daß zwischen diesen Magnetringen ein Luftspalt 26 gebildet wird, in dem die Statorplatte Io angeordnet ist.

Die Lage der Pollücken 24 des Ringmagnets 22, welche zur Lage der Pollücken des Ringmagnets 23 genau spiegelbildlich ist, ist in Figur 1 mit strichpunktierten Linien angedeutet. Die Ringmagnete 22 und 23 sind jeweils trapezförmig magnetisiert, das heisst, die Induktion hat bei ihnen etwa den in Figur 9B dargestellten Verlauf, der natürlich nicht genau trapezförmig ist, aber im Elektromaschinenbau als trapezförmige Magnetisierung bezeichnet wird. Kennzeichnend hierfür sind relativ schmale Pollücken und ein breiter Bereich mit relativ konstanter Induktion.

Die Spule 13 ersetzt zusammen mit der ihr zugeordneten Schaltung einen sonst üblicherweise als Kommutierglied verwendeten Hallgenerator. Die Lage dieses sonst erforderlichen, hier aber nicht vorhandenen Hai 1 generators ist in Figur 1 mit strichpunktierten Linien eingezeichnet und mit 25 bezeichnet. Dieser Hal I generator 25 würde also wie dargestellt um 45° mechanisch zur Mittelachse der Wicklung 12 versetzt sein. Wie man ferner aus den Figuren und 2 erkennt, liegen die Wicklungen 12 und 13 teilweise übereinander. Bei Schaltungen mit nur einer Antriebswicklung, wie sie im folgenden noch ausfuhr!ich beschrieben werden, kann die Wicklung 13 völlig flach ausgeführt werden, da dort die Wicklung 12 nicht benötigt wird.

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In einer Ausnehmung der Statorplatte Io ist außerdem ein Dauermagnet 3o befestigt, und zwar im Bereich des Außenumfangs des mit 31 bezeichneten Rotors. Der Magnet 3o ist ebenfalls axial polariesiert und hat, wie in Figur 3 dargestellt, oben seinen Süd-und unten seinen Nord-Pol, so daß er den Rotor 31 in dessen in Figur 1 dargestellte^ Lage zieht, wenn der Motor stromlos ist. Um zu verhindern, daß der Magnet 3o durch die rotierenden Ringmagnete 22und 23 dann entmagnetisiert wird, wenn sich gleichnamige Pole gegenüberstehen, haben die Ringmagnete 22 und 23 und auch der Magnet 3o eine hohe Koerzitiv-Feldstärke, zum Beispiel von größer als 2ooo Oe, und zudem liegt ein Teil des Magnets 3o außerhalb des zwischen den Ringmagneten 22 und 23 gebildeten Luftspalts 26. Wie dargestellt liegt der Magnet 3o etwas näher bei der Wicklung 12 als bei der Wicklung 11, um dem Rotor 31 eine etwas unsymmetrische Startstellung zu geben, bei der sich der (gedachte) Hai 1 generator 25 wie dargestellt bereits ausserhalb des Bereichs einer Pollücke 24 befinden würde. Eine solche Startstellung ist für den Anlauf günstig.

Zur Steuerung des Stroms in den beiden Antriebswicklungen 11 und 12 ist jeweils ein Transistor 4o bzw. 41 vorgesehen, dessen Aufbau (sogenannte npn-Darlington-Schaltung) aus Figur 1 hervorgeht. Die Emitter der Transistoren 4o und 41 sind mit dem Minus-Pol 42 einer Gleichspannungsquelle von zum Beispiel 12 V verbunden, deren Plus-Pol mit 43 bezeichnet ist. Der eine Anschluß der Wicklungen 11 und 12 ist jeweils mit dem Kollektor des zugeordneten Transistors 4o bzw. 41 verbunden, der andere mit der Plus-Leitung 43. Der Wicklungssinn und die Stromrichtung für die Wicklungen 11 und 12 sind in Figur 1 eingezeichnet.

Die Wicklung 13, die zur Steuerung der Kommutierung des Stromes in den Wicklungen 11 und 12 dient, ist an ein passives Integrierglied 44 angeschlossen, das einen Widerstand 45 (z.B. 2o kOhm) und einen Kondensator 46 (z„B. 5o Mikrofarad) aufweist. Der Anschluß 47 der Wicklung 13 ist wie dargestellt in Reihe mit dem Widerstand 45, dem Kondensator 46 und dem anderen Wicklungsanschluß 48 geschaltet, so daß im Betrieb die in der Wicklung 13 induzierte Spannung durch das Integrierglied 44 integriert wird

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und am Kondensator 46 eine entsprechende Wechselspannung entsteht, deren Amplitude zum Beispiel 5o mV betragen kann. Die Wicklung 13 kann zum Beispiel so ausgelegt werden, daß die in ihr direkt nach dem Anlaufiorgang induzierte Spannung etwa die Amplitude von 1 V hat. - Der Anschluß 48 ist über eine Zener-Diode 49 mit der Plus-Leitung 43, über einen Widerstand 53 mit der Basis eines pnp-Transistors 54 und über einen Widerstand mit der Minusleitung 42 verbunden.

Der mit 56 bezeichnete Verbindungspunkt zwischen Widerstand 45 und Kondensator 46 ist mit der Basis eines pnp-Transistors 57 und - über einen Kondensator 58 - mit der Minusleitung 42 verbunden. Die Transistoren 54 und 57 bilden zusammen einen Differenzverstärker, das heißt, wenn der Strom im einen Transistor zunimmt, nimmt der Strom im anderen Transistor ab und umgekehrt. Hierzu sind die Emitter dieser Transistoren über je einen Widerstand 61 bzw-, 62 mit einem Knotenpunkt 63 verbunden, welcher seinerseits über einen Widerstand 64 an die Plusleitung 43 geführt ist. Der Kollektor des Transistors 54 ist über einen Widerstand 65, einen mit der Basii des Transistors 4o verbundenen Knotenpunkt 66 und einen Widerstand 67 mit der Minusleitung 42 verbunden. Analog ist der Kollektor des Transistors 57 über einen Widerstand 7o, einen mit der Basis des Transistors 41 verbundenen Knotenpunkt 71 und einen Widerstand 72 mit der Minusleitung 42 verbunden.

Der beschriebene Motor arbeitet wie folgt: Vor dem Einschalten befindet sich der Rotor 31 durch die Wirkung des Magnets 3o in der in Figur 1 dargestellten Ruhelage. Wird nun eine Betriebsgleichspannung zwischen die Leitungen 43 und angelegt, so fließt über die Zener-Diode 49 ein Ladestrom zu den zunächst ungeladenen Kondensatoren 46 und 58. (Die Zener-Diode 49 bewirkt zusammen mit dem Widerstand 55, daß der gemeinsame Emitter-Strom des Differenz-Verstärkers 54, 57 durch den gemeinsamen Widerstand 64 praktisch konstant ist.)

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Das Potential des Punktes 56 entspricht also beim Einschalten zunächst dem Potential der Minusleitung 42 und wird dann positiver, das heißt, der Transistor 57 wird beim Einschalten zunächst voll leitend und lässt einen Basis-Strom zum Transistor 41 fließen, so daß auch dieser voll leitend wird und ein Strom zur Wicklung fließt. Hierdurch wird der Rotor 31 in Richtung des Pfeiles (Figur 1) im Uhrzeigersinn in Umdrehung versetzt.

Durch den Kondensator 58 wird also beim Einschalten ein Strom erzeugt, der der Startstellung des Rotors 31 angepasst ist und dessen Anlauf in der richtigen Drehrichtung bewirkt. Mathematisch gesehen heißt dies, daß dem Integrierglied 44 beim Start die richtige Anfangsbedingung für diese Rotorstellung vorgegeben wird.

Die Eigenschaften des Differenz-Verstärkers bewirken, daß die Transistoren 54 und 4o gesperrt sind, solange die Transistoren und 41 leiten.

Sobald sich der Rotor 31 dreht; wird in der Wicklung 13 eine Spannung induziert, welche durch die Wahl der Windungszahl dieser Wicklung genügend hoch ist, um am Kondensator 46 die erforderliche Spannung für die Aussteuerung des Differenz-Verstärkers 54, 57 zu erzeugen. Figur 4 zeigt bei a) diese induzierte Spannung 74 für eine niedere Drehzahl n, und. bei d).die induzierte Spannung 74' für eine doppelt so hohe Drehzahl n_? = 2 χ η,. 74 kann zum Beispiel die induzierte Spannung direkt nach dem Anlauf sein.(Zur Vereinfachung der Darstellung sind diese Spannungen und 74' als sinusförmige Spannungen dargestellt, obwohl sie in der Praxis von der Sinusfprm abweichen können; dies ist^ber für die Erläuterung der Wirkungsweise ohne Bedeutung.)

Die integrierte Spannung 75 bzw. 75' am Kondensator 46 ist in Figur 4 in der zweiten Reihe dargestellt. (Ihre Amplitude ist wes sentlich kleiner als die Amplitude der Spannungen 74 und 74', das heißt, die Kurven 75, 75' haben einen anderen Amplituden-Maßstab.) Die Spannungen 75 und 75' haben trotz der verschiedenen Größen der induzierten Spannungen 74 und 74' wie dargestellt praktisch dieselbe Amplitude, zum Beispiel jeweils 5o mV. Dies

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ist eine Folge der Integration; wie eingangs bereits dargelegt, sind die Spannungen 75 und 75' dem Fluß im Luftspalt 26 proportional, und dieser Fluß ist eine Größe, die nicht von der Drehzahl abhängig ist.

Wie man aus Figur 4 erkennt, ergibt sich durch die Integration eine um 9o° phasenverschobene Lage der S-pannung 75 (bzw.75 ') relativ zur Spannung 74 (bzw. 74'). Da aber die Wicklung 13 um 9o° elektrisch zur Wicklung 12 versetzt ist, fallen die Amplituden-Maxima der Spannung 75 (bzw. 75') mit den Maxima der Spannungen zusammen, die vom Rotor 31 in der Wicklung 12 (oder 11) induziert werden. Dies ist sehr wichtig für die richtige Kommutierung der Ströme in den Wicklungen 11 und 12, da die Strom-Maxima mit den Maxima der in diesen Wicklungen induzierten Spannungen zeitlich übereinstimmen sollen.

Die Spannung 75 (bzw.75') am Kondensator 46 bewirkt also, daß nach dem Anlauf die Transistoren 54 und 57 abwechselnd eingeschaltet werden, so daß, wie in Figur 4 bei c) bzw. f) dargestellt, die Ströme i. (im Transistor 4o und der Wicklung 11) und i... (im Transistor 41 und der Wicklung 12) jeweils im richtigen Zeitpunkt kommutiert werden. Im Betrieb verhält sich also eine solche Anordnung wie der (gedachte) äquivalente Hallgenerav tor 25 mit dem wesentlichen Unterschied, daß die Temperaturfestigkeit (bis ca. 125 C) bei einem erfindungsgemäßen Motor weitaus besser ist als bei einem Motor mit Hai 1 generator, welcher eine maximale Betriebstemperatur von etwa 65° C erreichen darf. Außerdem ergibt sich bei einem erfindungsgemäßen Motor ein besserer Wirkungsgrad, da der für den Betrieb des Hai 1genefcators erforderliche, nicht unbeträchtliche Gleichstrom in Wegfall kommt, Die Erfindung ermöglicht es also, einen Gleichstrommotor besser auszunutzen.

Das vom Motor nach den Figuren 1 bis 4 erzeugte Antriebsmoment entspricht etwa der Form der Kurven c) bzw. f) nach Figur 4, das heißt, dieses Moment weist Lücken auf. Dies ergibt sich durch die Motorkonstruktion. Zum Vermeiden dieser Lücken kann man die Lehren der Patentanmeldungen P 22 25 442.8, P 22 43 923.2 oder

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P 23 21 o22.2 heranziehen, auf deren Inhalt zur Vermeidung von Längen verwiesen wird.

Wenn der Motor nach den Figuren 1 bis 4 ausgeschaltet wird, benötigt er, je nach angekoppelter Schwungmasse, eine bestimmte Zeit zum Auslaufen. Wird er während dieses Auslaufzeitraumes erneut eingeschaltet, so ergibt sich erneut der beschriebene Einschal tvorgang durch Aufladtung des Kondensators 58.In diesem Falle ist aber keine definierte Anlaufstellung vorgegeben, da ja der Einschaltbefehl dann bei jeder beliebigen Winkelstellung des Motors möglich ist, das heißt, die Anfangsbedingung, die dem Integrierglied 44 in diesem Falle vorgegeben wird, kann falsch sein, so daß der Rotor 31 beispielsweise durch den Strom in der Wicklung 12 nicht angetrieben, sondern.bis zum Stillstand abgebremst würde und dann stehen bleibt. Bei den meisten Anwendungsfällen ist aber ein sicherer Anlauf des Motors erforderlich.

Durch die Schaltung gemäß Figur 5 wird dieser Nachteil auf einfache Weise vermieden, und zwar dadurch, daß in einem solchen Falle der Einschaltimpuls automatisch solange wiederholt wird, bis der Motor angelaufen ist. Wird also der Motor beim ersten Einschaltimpuls abgebremit, so kann er zwar kurz in seiner durch den Dauermagneten 3o vorgegebenen Startstellung stehen bleiben, läuft aber beim nächsten Einschaltimpuls, zum Beispiel nach ein oder zwei Sekunden, erneut an.

Die Schaltung nach Figur 5 ist weitgehend mit der Schaltung nach Figur 1 identisch. Gleiche oder gleich wirkende Teile wie dort werden deshalb nicht nochmals beschrieben. Auch der dieser Schaltung zugeordnete Motor kann gleich aufgebaut sein wie der Motor nach Figuren 1-3.

Zur Widerholung des Einschaltbefehlt sind hier folgende zusätzliche Schaltelemente vorgesehen:

vom Kollektor des Transistors 41 führt ein Widerstand 8o über einen Knotenpunkt 81 und einen Kondensator 82 zum Kollektor des Transistors 57. Eine Diode 83 ist mit ihrer Kathode an die Basis des Transistors 54 und mit ihrer Anode an den Knotenpunkt 81 angeschlossen. _ 1 Λ _

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Die Schaltung nach Figur 5 arbeitet wie folgt: Beim Einschalten erhält der Kondensator 46, wie bereits beschrieben, über den Kondensator 58 eine Anfangsladung. Wenn der Motor nicht anläuft, entlädt sich diese Ladung innerhalb relativ kurzer Zeit über den Widerstand 45 und die Wicklung 13, und der Differenz-Verstärker 54, 57 befindet sich dann in seinem elektrischen Gleichgewicht, bei dem in beiden Transistoren 54 und 57 so wenig Strom fließt, daß weder der Transistor 4o noch der Transistor 41 leiten. Der Kondensator 82 wird dann über die Wicklung 12 und die Widerstände 8o, 7o, 72 allmählich aufgeladen, bis das Potential des Knotenpunktes 81 positiver wird als das Potential an der Basis des Transistors 54. über die Diode 83 fließt dann ein Strom zur Basis des Transistors 54, der dessen Kollektorstrom vermindert und damit - infolge des durch den Widerstand 64 eingeprägten konstanten Emitterstromes - den KoIlektorstrom des Transistors 57 erhöht.

Durch den Spannungsabfall am Widerstand 7o entsteht nun ein zusMtzlicher Mitkopplungseffekt, da die Spannung am Kollektor des Transistors 57 jetzt positiver wird, wodurch auch das Potential am Knotenpunkt 81 positiver wird und der Transistor 54 noch mehr gesperrt wird. Dies setzt sich solange fort, bis der Transistor 41 voll leitend ist, das heißt, es wird genau dieselbe Wirkung erreicht, die beim ersten Anlauf durch den Kondensator 58 erzielt wurde. Läuft der Motor jetzt an, so ergibt sich dieselbe Wirkungsweise des Integrierglieds 44, wie sie zuvor im Zusammenhang mit Figur 4 ausführlich beschrieben wurde.

Kann der Motor auch jetzt nicht anlaufen, zum Beispiel weil sein Rotor 31 blockiert ist, so schaltet sich der Strom im Transistor 41 von selbst nach kurzer Zeit, zum Beispiel l/lo Sekunde, wieder ab, da der Kondensator 82 über die Basis-Emitter-Strecke des Traniistets 54 schnell entladen wird. Der beschriebene Vorgang wiederholt sich dann nach einem durch die Größe der Komponenten vorgegebenen Zeitintervall, zum Beispiel nach einigen Sekunden.

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Da der Motor auch bei blockiertem Läufer 31 nur kurze Stromimpulse erhält, kann er nicht überhitzt werden. Dies stellt einen wesentlichen zusätzlichen Vorteil der Schaltung nach Figur 5 dar. (Auch der Motor nach Figur 1 bleibt bei blockiertem Rotor 31 stromlos.)

Im normalen Betrieb ist das Potential des Punktes 81 stets negativer als die Basis des Transistors 54, das heißt, die Diode 83 ist dann dauernd gesperrt; die beschriebene Vorrichtung ist also nur dann wirksam, wenn der Motor nicht angelaufen ist; bei angelaufenem Motor schaltet sie sich von selbst ab.

Wie bereits dargelegt, kann man sich die erfindungsgemäße Anordnung praktisch als Ersatz für einen Hallgenerator vorstellen, da sie im Betrieb sehr ähnliche Eigenschaften hat wie ein solcher, also unter anderem zwei gegenphasige Steuerausgänge, sowie von der Größe der Induktion, aber nicht von der Drehzahl abhängige Amplituden des Ausgangssignals.

Bei Motoren üblicher Bauart, die meist mit vier sternförmig angeordneten Wicklungen versehen sind, um ein weitgehend gleichmäßiges elektromagnetisches Antriebsmoment über dem Drehwinkel zu erzeugen, benötigt man bekanntlich 2 Hall generatoren. Diese Hallgeneratoren können gemäß der Anordnung nach Figur 6 auch durch erfindungsgemäße Anordnungen ersetzt werden, um beispielsweise höhere Betriebstemperaturen zu ermöglichen. Es werden dann zwei Schaltungen gemäß Figur 5 benötigt, welche in Figur 6 mit 85 und 86 bezeichnet sind,denen jeweils entsprechend einer durch einen Dauermagneten 87 vorgegebenen Startstellung des mit 88 bezeichneten Rotors dieses Motors 89 Anfangsbedingungen Cl und C2 zugeordnet sind, zum Beispiel durch entsprechende Wahl des Kondensators 58 gemäß Figur 5, um so einen Anlauf in der gewünschten Drehrichtung sicherzustellen.

Der Motor 89 hat vier Antriebstcklungen 92, 93, 94 und 95, welche jeweils mit einem Anschluß an Plus liegen. Die anderen Anschlüsse der Wicklungen 93 und 95 sind an die Ausgänge der Schaltung 85 angeschlossen und die anderen Anschlüsse der Wicklungen 92 und

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94 an die Ausgänge der Schaltung 86. Mit dem Rotor 88 ist ein Steuermagnet 95 gekuppelt, dem 2 Meßwicklungen 96 und 97 zugeordnet sind. Die im Betrieb in der Wicklung 96 induzierte Spannung wird in der Schaltung 85 integriert und die in der Wicklung 97 induzierte SppiBnung wird in der Schaltung 86 integriert. Zum Einschalten dient ein Schalter 98, der mit dem Minuspol der Gleichspannungsquelle verbindet.

Vor dem Einschalten befindet sich infolge des Magnets 87 der Rotor 88 in der gezeigten Startstellung. Beim Einschalten des Schalters 98 werden die beiden Anfangsbedingungen Cl und C2 wirksam und bewirken einen entsprechenden Stromimpuls, zum Beispiel in den Statorwicklungen 92 (zum Anziehen des Rotormagnets 88) und 95 (zum Abstoßen des Rotormagnets 88). Der Motor läuft dann im Uhrzeigersinn an und die beiden Integrationsschaltungen, die, wie erläutert, im Aufbau jeweils der Schaltung nach Figur 5 entsprechen, steuern dann die Kommutierung.

Läuft der Motor nicht an, so wird die Anlaufwiederholung (Teile 8o, 82, 83 gemäß Figur 5) wirksam. Zweckmässig wird das Wiederholungsintervall bei den Integrierschaltungen 85 und 86 verschieden gewählt. Durch die Anlaufwiederholung kann es ersichtlich vorkommen, daß der Motor zunächst in der falschen Richtung anläuft. Sobald der Motor aber läuft, werden beide Integrierschaltungen 85,

Oll
86 wirksam und steuern nun ihrerseits den Motor so, daß er in der richtigen Richtung läuft, das heißt, ein solcher Motor kommt dann zunächst kurzzeitig wieder zum Stillstand - wobei im Kondensator 46 (Figur 5) ein der Lage des Rotors entsprechender Spannungswert gespeichert bleibt - und entsprechend diesem Spannungswert läuft der Rotor dann in der richtigen Richtung an. Auch dies zeigt sehr deutlich die Analogie zum Hai 1 generator, der ja auch die Drehrichtung selbsttätig umsteuert, wenn der Motor zum Beispiel von Hand in der falschen Richtung angeworfen wird.

Bei einer zeichnerisch nicht dargestellten Variante hierzu wirkt der Rotormagnet 88 direkt auf die Meßwicklungen 96, 97, indem diese in geeigneter Weise zum Beispiel direkt in den Stator eingewickelt sind. Der Steuermagnet 95 erübrigt sich dann.

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Eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Motors zeigen die Figuren 7-9. Der dort gezeigte Motor loo, dessen mechanischer Aufbau nur schematisch angedeutet ist, ist ein Außenläufermotor, dessen Rotor 1 öl einen radialenagnetisierten, 2-poligen, massiven Magnetring aufweist. Zur besseren Veranschaulichung ist auch hier ein - rein hypothetischer, also in Wirklichkeit nicht vorhandener - äquivalenter Hai 1 generator Io2 dargestellt. Ferner ist zur besseren Veranschaulichung der Nordpol - Bereich des Rotors lol schwarz und der Südpol-Bereich grau dargestellt. Wie Figur 9B zeigt, ist auch hier der Induktionsverlauf über dem Rotor trapezförmig im Sinne der obigen Ausführungen. Die Pollücken sind mit Io3 und Io4 bezeichnet. Der Magnetring lol ist mittels eines ihn umgreifenden Topfes Io5 mit einer Welle Io6 verbunden, die in einem schematisch dargestellten Lager Io7 gelagert ist. (Naturgemäß kann man für die Lagerung des Rotors die bekannten Konstruktionen verwenden, wie sie zum Beispiel von den Erzeugnissen der Anmelderin bekannt sind).

Der Stator Ho ist an einem ortsfesten Teil 111 befestigt und hat Doppel-T-Form, wobei die Enden der ausgeprägten Pole 112, 113 fast aneinander stoßen und gerade noch genügend Platz zum Einbringen von zwei über eine Mittelanzapfung 114 in Reihe geschalteten Antriebswicklungen 115, 116 bleibt, deren Anschlüsse mit 117 und 118 bezeichnet sind. Die Wicklungen 115, 116 haben bei dieser Konstruktion zweckmäßig ungleiche Drahtstärken und/oder verschiedene Windungszahlen, um im Betrieb eine verschiedene Ampere-Windungszahl dieser Wicklungen zu erreichen. Naturgemäß kann derselbe Effekt auch dadurch erreicht werden, daß man gleiche Windungszahlen, aber verschieden große Ströme verwendet. Die Wicklung 116 kann zum Beispiel eine kleinere Windungszahl aufweisen. Die Nuten für die Wicklungen 115, 116 sind mit 119 und 12o bezeichnet.

Um 9o° elektrisch (und mechanisch) zu den Wicklungen 115 und 116 versetzt ist in zwei Nuten 121, 122 des Stators Ho eine Wicklung 123 untergebracht, die das Ausgangssignal für das Integrierglied liefert, zum Beispiel für das Integrierglied 44 nach Figur 5. Ihre Ausgänge sind mit 124 bezeichnet. Die bei diesem Motor durch die Luftspaltform vorgegebene Drehrichtung ist durch einen Pfeil

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- 18 125 angedeutet.

In der Mitte der Pole 112, 113 ist jeweils ein radial polarisierter Dauermagnet 126 bzw. 127 angebracht. Beide Magnete 126 und haben oben ihren Süd,und unten ihren Nordpol (bezogen auf Figur 7.) Die Magnete können sich jeweils, wie dargestellt, über einen Winkel von ca. 9o° elektrisch erstrecken. Sie werden zweckmäßig nach Einbringen der Wicklung 123 in entsprechende Vertiefungen des Stators eingeklebt.

Um den magnetischen Widerstand des mit 13o bezeichneten Luftspalts drehwinkelabhängig zu machen und dadurch ein Reluktanzmoment ganz bestimmter Form zu erzeugen, wie das im folgenden anhand von Figur Io erläutert wird, hat der Außenumfang der Pole 112, 113 eine ganz bestimmte Form, die am besten aus der Abwicklung gemäß Figur 9A hervorgeht. Demnach nimmt der tatsächliche, also mittels eines Meßinstruments meßbare Luftspalt 13o ausgehend von den Nuten 119 bzw. 12o in Drehrichtung gesehen über einen relativ kurzen Winkelweg von zum Beispiel 3o° elektrisch bis zu einem Maximum 131 bzw. 131' zu und von dort aus bis zur nächsten Nut monoton wieder ab.

Da die Nuten 119, 12o praktisch eine Vergrößerung des tatsächlichen Luftspalts darstellen, kann man den äquivalenten, also magnetisch wirksamen Luftspalt durch die gestrichelten Linien 132 bzw. 132 ' approximieren. Dieser äquivalente Luftspalt hat also seine Minima 133 bzw. 133' in Drehrichtung gesehen vor der zugeordneten Nut, zum Betjpiel 3o° elektrisch vor ihr.

Läuft bei der Form der Induktion gemäß Figur 9B eine Pollücke (z.B.lo3) des Rotors lol in Drehrichtung 125 über ein Gebiet sich verkleinernden Luftspalts, so muß hierzu der Rotor lol angetrieben werden, das heißt, es entsteht ein in Figur loc mit 134 bezeichnetes bremsendes Reluktanzmoment. Läuft umgekehrt eine solche Pollücke (z.B.lo3) über ein Gebiet sich erweiternden äquivalenten Luftspalts hinweg, so bwirkt dies ein antreibendes Reluktanzmoment, das in Figur loc mit 135 bezeichnet ist. Die Form der Mo-

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mente 134 und 135 ist ersichtlich von der Form des äquivalenten Luftspalts abhängig und kann deshalb entsprechend den Erfordernissen gewählt werden.

Die Dauermagnete 126 und 127 bewirken im Betrieb ebenfalls ein Moment, dessen Form in Figur lob dargestellt ist. Wird der Rotor lol zum Beispiel aus seiner Stellung nach Figur 7 in Drehrichtung weitergedreht, so muß er hierzu angetrieben werden. Dieses bremsende Moment ist in Figur lob mit 136 bezeichnet. Etwa 18o° elektrisch weiter beginnt dann ein mit 137 bezeichnetes antreibendes Moment.

Addiert man die Momentenkurven nach Figur lob und loc, so erhält man die Kurve nach Figur Iod, das heißt, dies ist der Momentenverlauf, den man zum Beispiel mit der Federwaage misst, wenn man die auf den Rotor lol wirkenden Momente bei stromlosem Motor in den verschiedenen Drehstellungen ermittelt. Der Momentenverlauf gemäß Figur Iod hat an zwei Stellen 138 und 139 den Wert Null. Der Punkt 138 entspricht der in den Figuren 7 und 9A dargestellten stabilen Ruhelage. Der entsprechende Winkel alpha ist in Figur 7 und in Figur Iod eingetragen. Der Punkt 139 entspricht einer instabilen Rotorstellung, aus der sich der Rotor lol bei der geringsten Erschütterung herausdreht. Der Abstand zwischen dem Punkt 139 und dem darauffolgenden stabilen Punkt 138¹ ist,wie dargestellt, größer als 18o° elektrisch, was für die vorliegende Erfindung insofern von Bedeutung ist, als man dadurch erreicht, daß die Punkte 138 und 139 beide in den zwei ersten Quadranten (0 bis 18o° elektrisch) liegen, so daß der Motor selbst dann noch in der richtigen Richtung anläuft, wenn er zufällig in der instabilen Stellung 139 stehengeblieben ist. (Dasselbe gilt für die Kurve 159 nach Figur 13d und deren Punkte 16o und 161). Entsprechend der unsymmetrischen Form des in Figur Iod dargestellten, sozusagen in den Motor eingebauten Moments muß auch das von den beiden Antriebswwcilungen 115, 116 erzeugte elektromagnetische Antriebsmoment unterschiedlich groß sein.

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Physikalisch kann man dies sich so erklären, daß die Wirkung der Wicklung 116 durch die Dauermagnete 126 und 127 unterstützt wird, während diese Dauermagnete dem durch die Wicklung 115 erzeugten elektromagnetischen Antriebsmoment entgegen wirken, oder anders gesagt: der Motor speichert einen Teil der vom Strom in der Wicklung 115 in den Motor hineingepumpten Energie und gibt diese Energie in den Lücken des elektromagnetischen Antriebsmoments, die in Figur loa mit 141 und 142 bezeichnet sind, sowie während der Dauer des schwächeren elektromagnetischen Antriebsmoments wieder ^aD· Das von der Wicklung 115 erzeugte Antriebsmoment ist -in Figur loa mit M-,, ₅, das von der Wicklung 116 erzeugte Moment mit M-j-jg bezeichnet.

Addiert man die Kurven nach Figur loa und Figur Iod, so erhält man den in Figur loe dargestellten, lückenfreien Momentenverlauf, mit dem ein solcher Motor seine Last antreibt. Das in Figur loe dargestellte Gesamtmoment M hat einen weitgehend konstanten Verlauf.

Beim Motor nach Figur 7 wird also im Betrieb die Wicklung 115 an den Transistor 41 nach Figur 5, die Wicklung 116 an den Transistor 4o und die Wicklung 123 an das Integrierglied 44 angeschlossen. Beim Einschalten erhält dann zuerst die Wicklung 115 Strom (durch den die Anfangsladung festlegenden Kondensator 58), so daß der Mo£or in Richtung des Pfeiles 125 aus seiner in Figur 7 dargestellten Startstellung anläuft, wonach dann das Integrierglied 44 wirksam wird, sobbld in der Wicklung 123 eine genügend große Spannung induziert wird. Das Integrierglied hat dann praktisch dieselbe Wirkung wie der in den Figuren 7 und 9A als Erinnerungsposten dargestellte äquivalente Hai 1 generator 1ο2.

Selbstverständlich ist es auch möglich, bei einem Motor gemäß Figur 7 zur Steuerung der Kommutierung statt der Wicklung 123 und eines ihr nachgeschalteten Integriergliedes einen Hallgenerator Io2 oder ein sonstiges elektronisches Kommutierglled zu verwenden, Gegenüber dem in Figur 1 dargestellten Motoraufbau hat die Konstruktion nach Figur 7 - gleichgültig auf welche Art die Kommutierung erfolgt - den wesentlichen Vorteil, daß die Magnete 126 und 127 zwar die richtige Startstellung herbeifüh-

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ren, aber im Betrieb zwar ein bremsendes, aber kein den Gesamtverlauf störendes Moment erzeugen. Bei der Ausführungsform nach Figur 1 dagegen bewirkt der Magnet 3o ein Moment, das sich dem von den Wicklungen 11 und 12 erzeugten Moment als störendes Wechselmoment überlagert, und dies zwingt praktisch dazu, diesen Magnet 3o möglichst schwach zu machen. Bei der Ausführungsform nach Figur 7 dagegen können die Magnete 126 und 127 immer genügend stark gewählt werden, damit sie den Rotor lol in die gewünschte Startstellung hineinziehen.

Der Motor nach den Figuren 7 - Io kann noch weiter vereinfacht werden, und man kommt dann zu der Konstruktion nach Figur 11, die nur noch eine einzige Antriebswicklung benötigt. (Eine zur Konstruktion nach Figur 11 analoge Konstruktion eines Flach-Motors ist in der Patentanmeldung P 22 6o o69.7 beschrieben, auf die zur Vermeidung übermässiger Längen ausdrücklich verwiesen wird.)

Der mechanische Aufbau des Motors nach Figur 11 entspricht demjenigen des Motors nach den Figuren 7 bis lo. Gleiche oder gleichwirkende Teile wie dort werden deshalb mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und nicht nochmals beschrieben. - Die einzige Antriebswicklung des Motors nach Figur 11 ist mit 142 bezeichnet. Ihr einer Anschluß ist an die Plus-Leitung 43 angeschlossen, ihr anderer Anschluß an den Kollektor eines npn-Transistors 143, dessen Emitter mit der Minus-Leitung 42 verbunden ist. Das Integrierglied, an das die Wicklung 123 angeschlossen ist, ist hier ein aktives Integrierglied in Form eines sogenannten Miller-Integrators 144 mit einem npn-Transistör 145, zwischen dessen Kollektor und Basis ein Integrierkondensator 146 von zum Beispiel 3 Mikrofarad und ein zu diesem paralleler Widerstand 147 geschaltet sind. Die Basis des Transistors 145 ist über einen Widerstand mit dem einen Anschluß der Wicklung 123 verbunden, deren anderer Anschluß an die Minus-Leitung 42 angeschlossen ist.

Vom Kollektor des Transistors 145 führt ein Widerstand 151 zur Plus-Leitung 43 und ein Widerstand 152 zur Basis eines pnp-Transistors 153, dessen Emitter mit der PlusH-eitung 43 und dessen Kollektor über einen Widerstand 154, einen mit der Basis des

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des Transistors 143 verbundenen Knotenpunkt 155 und einen Widerstand 156 mit der Minus-Leitung 42 verbunden ist.

Beim Motor nach Figur 11 sind die am Stator Ho vorgesehenen Dauermagnete 126 und 127 stärker gewählt als beim Motor nach Figur 7, so daß das von ihnen im Betrieb erzeugte Moment 157 (Figur 13b) eine größere Amplitude hat. Das in Figur 13c dargestellte Reluktanzmoment 158 hat dagegen etwa dieselbe Form wie das in Figur loc dargestellte Moment. (Die Magnetisierung des Rotors lol in Figur 11 hat ebenfalls den in Figur 9B dargestellten Verlauf.) - Entsprechend ergibt sich eine andere Form des in Figur 13d dargestellten Summenmoments 159 aus den Momenten 157 und 158. Das Moment 159 hat einen stabilen Punkt 16o entsprechend der Rotorstellung nach Figur 11 und einen instabilen Punkt 161, welche beide innerhalb der beiden ersten Quadranten, also innerhalb des Winkelbereichs von O - 18o° elektrisch liegen, wodurch sich der oben bei Figur Io bereits erläuterte Vorteil ergibt, daß der Motor auch dann in der richtigen Drehrichtung anläuft, wenn er zufällig in seiner instabilen Stellung 161 stehengeblieben ist.

Das von der Wicklung 142 im Betrieb erzeugte, elektromagnetische Antriebsmoment ist in Figur 13a dargestellt und mit 162 bezeichnet Da es während weniger als 18o° elektrisch wirksam ist, müssen seine mit 265 bezeichneten Lücken durch das Moment 159 (Figur 13d} überbrückt werden, und durch Addition der Momente 162 und 159 erhält man das in Figur 13e dargestellte lückenfreie Gesamtmoment M , das einen weitgehend gleichförmigen Verlauf hat.

Der Motor nach Figur 11 arbeitet wie folgt: Bei ausgeschaltetem Motor befindet sich der Rotor lol in der stabilen Stellung 16o gemäß Figur 13d, welche auch in Figur 11 dargestellt ist. Wird jetzt eine Spannung an die Leitungen 42 und 43 gelegt, so ist der Kondensator 146 des Integrierglieds 144 zunächst ungeladen, so daß der Transistor 145 sofort leitend wird und seinerseits die Transistoren 153 und 143 leitend steuert, so

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daß ein Strom durch die Wicklung 142 fließt und der Rotor lol in Richtung des Pfeiles 125 angetrieben wird.

Sobald sich der Rotor lol dreht, induziert er in der um 0o° elektrisch versetzten Wicklung 123 eine Spannung, die im Integrierglied 144 integriert wird und die dann den Strom in der Wicklung 142 so steuert, daß sich die Momentenform 162 gemäß Figur 13a ergibt. Falls der Integrator 144 ein idealer Integrator wäre, könnte der Motor gemäß Figur 11 dauernd mit beliebig kleinen Drehzahlen arbeiten und damit beliebige Schwungmassen beschleunigen. Die Praxis hat gezeigt, daß auch die in Figur 11 dargestellte, sehr einfache Integrierschaltung schon ausreicht, um ziemlich große Schwungmassen zuverlässig zu beschleunigen, zum Beispiel Schwungmassen, die bis zum 3ofachen des Trägheitsmoments des Rotorsi.I betragen können.

Selbstverständlich kann man zum Betrieb des Motors nach Figur 11 auch die Integrationsschaltungen nach Figur 1 oder Figur 5 verwenden, wobei dann nur einer der beiden Ausgänge des Differenz-Verstärkers 54, 57 verwendet wird.

Falls man bei der Schaltung nach Figur 11 erreichen will, daß die Integrierschaltung 144 nach dem Abschalten des Motors noch solange mit Strom versorgt wird, bis der Motor zum Stillstand gekommen ist, sieht man zweckmässig in der Zuleitung zur Integrierschaltung 144 eine Diode 164 in Reihe mit einem Widerstand 165 vor, wobei über diese Diode 164 ein relativ großer Kondensator 166 gespeist wird. Dieser Kondensator 166 lädt sich im Betrieb auf und speist nach dem Abschalten die Integrierschaltung 144 bis zum Stillstand des Motors. Wird also der Motor während des Auslaufens erneut eingeschaltet, so ist die Integrierschaltung 144 noch im Betrieb und kann die Steuerung des Stromes in der Wicklung 142 sogleich wieder übernehmen. Die Diode 164 verhindert in dieser Schal tungsvariar.te, da; Strom vom Kondensator 166 zu den ^Transistoren 153 und 143 fließt.

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Figur 12 zeigt eine weitere Variante zu der Schaltung nach Figur 11. Der Integrator 17o ist hier wie bei den Figuren 1 und 5 als passiver Integrator ausgebildet und besteht aus einem Kondensator 171 (z.B. 5o Mikrofarad), der über einen Widerstand 172 (z.B 2o kOhm) aus der Wicklung 123 gespeist wird. Zur Verstärkung der integrierten Spannung am Kondensator 171, die naturgemäß nur sehr klein ist, dient ein Operations-Verstärker 173, der bekanntlich einen hohen Eingangswiderstand von zum Beispiel 1 MOhm hat und daher für diese Aufgabe besonders gut geeignet ist. Die eine Elektrode des Kondensators 171 ist über einen Widerstand 179 an den Ausgang 18o und über einen Widerstand 175 an den Plus-Eingang 176 des Verstärkers 173 angeschlossen, seine andere Elektrode an den Minus-Eingang 177. Ferner ist diese andere Elektrode über einen Kondensator 178, der die Anfangsbedingung für die Integration festlegt, mit der Plus-Leitung 43 verbunden. Der Eingang 176 ist ferner an einen den Arbeitspunkt des Verstärkers festlegenden Spannungsteiler 183, 184 angeschlossen. (Das Verhältnis der Widerstände 175 und 179 bestimmt den Verstärkungsfaktor.) - An den Ausgang 18o ist die Basis eines pnp-Transistors 185 angeschlossen, dessen Emitter an einem Spannungsteiler 186, 187 liegt und dessen Kollektor über einen Widerstand

188 mit der Leitung 42 und direkt mit der Basis eines npn-Leistungstransistors 189 verbunden ist, dessen Emitter an der Leitung 42 liegt und dessen Kollektor über die Wicklung 142 mit der Leitung 43 verbunden ist.

Die Schaltung nach Figur 12 arbeitet wie folgt:

Vor dem Einschalten hat der Motor seine in Figur 11 dargestellte stabile Ruhelage. Beim Einschalten erhält der Kondensator 171 über den Start-Kondensator 178 einen Strom-Impuls, der ersteren auf eine definierte Ausgangsspannung auflädt. Diese Spannung steuert den Verstärker 173 so an, daß die Transistoren 185 und

189 leitend werden und damit der Anlauf des Motors beginnt. Sobald sich der Rotor 1 öl (Figur 11) dreht, wird in der Wicklung 123 eine Spannung induziert, die im Integrierglied 17o integriert wird und die weitere Steuerung des Verstärkers 173 und damit des Stromes in der einzigen Antriebswicklung 142 übernimmt.

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Die Integrationsschaltung 17o nach Figur 12 arbeitet nach dem Abschalten der Versorgungsspannung weiter, so daß diese Integrationsschaltung 17o auch dann sofort die Steuerung des Verstärkers 173 wieder übernehmen kann, wenn der Motor beim Auslaufen erneut eingeschaltet wird. Der dabei entstehende erneute Einschaltimpuls des Kondensators 178 wird in diesem Fall weitgehend unterdrückt. Besonders zweckmässig ist es in diesem Fall, wenn die Zeitkonstante R-C der Integrationsschaltung 17o etwa der Zeit entspricht, die nach dem Abschalten der Betriebsspannung bis zum Stillstand des Rotors lol vergeht.

Die Erfindung ermöglicht also mit einfachen Mitteln eine wesentliche Erhöhung der Betriebstemperatur bei kollektorlosen Gleichstrommotoren. Durch den Wegfall des für den oder die Hallgeneratoren erforderlichen Steuerstroms wird ausserdem der Wirkungsgrad besonders bei kleineren Motoren ganz wesentlich verbessert, so daß auch bei diesen Wirkungsgrade in der Größenordnung von 7o'.; mit der Erfindung ohne besondere Anstrengungen erreichbar sind.

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Claims (34)

1. (-/-) 26. Juli 1973

   PAPST-MOTOREN KG HDP/Rai/Pe

   St. Georgen
   DT - 149 7;

   Ansprüche

   ί l\ Kollektorloser Gleichstrommotor mit einem permanentmagnetischen Rotor und mindestens einer mit diesem zusammen wirkenden Statorwicklung, welcher ein Halbleiterelement zur Steuerung des Stromes in dieser Statorwicklung zugeordnet ist,

   , dadurch gekennzeichnet, daß eine Wicklung (13; 96, 97; 123)zur Erzeugung einer gegenüber der im Betrieb vom Rotor in der genannten Statorwicklung (11, 12; 92-95; 115, 116; 142) induzierten Spannung um etwa 70 bis 110°, vorzugsweise um 90°, phasenverschobenen Spannung vorgesehen isr, daß diese phasenverschobene Spannung einem Integrierglied (44; 85, 86; 144; 170) zuführbar ist, und daß das Ausgangssignal des Integrierglieds zur Steuerung des Halbleiterelements (40, 41; 143; 189) und damit des Stromes in der Statorwicklung dient.
2. 2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal zur Steuerung des Stromes in zwei um (180° elektrisch + η . 360° elektrisch) gegeneinander versetzten Statorwicklungen (11, 12; 115, 116) dient, wobei η = 0, 1, 2, ...ist
3. 3. Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Erzeugung der phasenverschobenen Spannung vorgesehene Wicklung am Stator angeordnet ist, so daß die Spannung in ihr durch den permanentmagnetischen Rotor des Motors induzierbar ist.
4. 4. Motor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungszahl der für die Erzeugung der phasenverschobenen Spannung vorgesehenen Wicklung (13; 123) groß ist. - 2 -

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5. 5. Motor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungszahl der für die Erzeugung der phasenverschobenen Spannung vorgesehenen Wicklung vorzugsweise mindestens etwa gleich groß ist wie die jeweiligen Windungszahlen der einzelnen Statorwicklungen.
6. 6. Motor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Integrierglied einen aktiven Integrator (144) aufweist,(Fig. 11).
7. 7. Motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der aktive Integrator (144) nach Art eines Milier-Integrators ausgebildet ist, wobei zu dem zwischen Kollektor und Basis des Transistors (145) eingeschalteten Kondensator (146) vorzugsweise ein Widerstand (147) parallel geschaltet ist.(Fig.11).
8. 8. Motor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem aktiven Integrator (144) ein Energiespeicher (166) zugeordnet ist, welcher nach dem Abschalten des Motors während einer an dessen Auslaufzeit angepaßten Zeitspanne am aktiven Integrator (144) eine für dessen Betrieb erforderliche Spannung aufrecht erhält.
9. 9. Motor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher einen Kondensator (166) aufweist, welcher über eine Diode (164) aus dem Gleichstromnetz (42, 43) des Motors aufladbar ist und an den der aktive Integrator (144) angeschlossen ist.
10. 10. Motor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Integrierglied einen passiven Integrator (44; 170) aufweist.
11. 11. Motor nach Anspruch 10* dadurch gekennzeichnet, daß der passive Integrator ein RC-Glied (45, 46; 171, 172) aufweist.

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12. 12. Motor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung am Kondensator des RC-Glieds einem nachfolgenden Verstärkungsglied (54, 57; 173) zuführbar ist.
13. 13. Motor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsglied als Operationsverstärker (173) ausgebildet ist.
14. 14. Motor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsglied als Differenzverstärker (54, 57) ausgebildet ist, dessen beiden Eingängen die Spannung am Kondensator (46) des RC-Gliedes gegenphasig zuführbar ist.
15. 15. Motor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Verstärkungsglieder (54,57) des Differenzverstärkers.jewei1s zum Steuern des Stromes in einer von zwei Statorwi ckl ungen(i1,1lj ausgebildet sind.
16. 16. Motor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Integrierglied (44; 170) Schaltmittel (58; 178) zum Erzeugen eines durch den Einschaltvorgang des Motors steuerbaren Startimpulses zugeordnet sind, um beim Einschalten in mindestens einer Statorwicklung des stillstehenden Motors einen Stromimpuls zu erzeugen.
17. 17. Motor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß diese Schaltmittel zum Erzeugen einer Anfangsbedingung für die Integrationsgleichung

    0 = ^ J u(t)dt + C

    ausgebildet sind, wobei u(t) die in der zur Erzeugung der phasenverschobenen Spannung vorgesehenen Wicklung im Betrieb erzeugte Spannung und 0 der magnetische Erregerfluß im Motor ist.
18. 18. Motor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß er in an

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    sich bekannter Weise Mittel (30) zum Erzeugen einer definierten Startstellung seines Rotors relativ zum Stator aufweist.
19. 19. Motor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise am Stator ein mit dem Rotor zusammenwirkender Permanentmagnet (30) vorgesehen ist.
20. 20. Motor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß am Stator Weicheisenteile und mindestens ein Permanentmagnet vorgesehen sind, welche zusammen die Startstellung des Rotors definieren. (Fig. 7)
21. 21. Motor nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine am Stator vorgesehene Permanentmagnet um η . 180° elektrisch relativ zu einer Antriebs-Statorwicklung versetzt

    ist, wobei η = 0, 1, 2, ...etz. ist. (Fig7)
22. 22. Motor nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Wirkung des Permanentmagneten unterstützte Statorwicklung eine verringerte Amperewindungszahl aufweist und im Betrieb vorzugsweise ein Drehmoment (M116) erzeugt, welches ständig kleiner ist als das vom Motor abzugebende Moment. (Mges).
23. 23. Motor nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der am Stator (110) vorgesehene Permanentmagnet (126, 127) anstelle einer Statorwicklung vorgesehen ist. (Fig. 11)
24. 24. Motor nach mindestens einem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Motor mit aktivem Integrator (144) Schaltmittel vorgesehen sind, welche diesem Integrator beim Einschalten des Motors einen Impuls zuführen. (Fig. 11).
25. 25. Motor nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Motor mit Miller-Integrator ein Widerstand vorgesehen ist, über den beim Einschalten des Motors dem Kondensator des Miller-Integrators ein Ladestrom zuführbar ist. (Fig. 11).

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26. 26. Motor nach mindestens einem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Motor mit passivem Integrator Schaltmittel (178) vorgesehen sind, welche beim Einschalten des Motors die Zufuhr eines Stromes zu mindestens einer antreibenden Motorwicklung bewirken.
27. 27. Motor nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel einen Kondensator (178) aufweisen, welcher beim Einschalten des Motors mit einem Ladekreis verbindbar ist, und dessen Ladestrom einen Einschaltimpuls bewirkt.
28. 28. Motor nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel beim Einschalten des Motors die Zuführung eines vorbestimmten Signals zu einem dem passiven Integrator nachgeschalteten Verstärker bewirken.
29. 29. Motor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ihm eine bei eingeschaltetem, nichtrotierendem Motor wirksame Anlaßwiederholschaltung (80, 82, 83)aigeordnet ist. (Fig 5).
30. 30. Motor nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlaßwiederholschaltung einen Kondensator (82) mit einem Ladekreis (80, 70, 72) aufweist, wobei der Ladekreis an eine von der Drehzahl des Motors abhängige Spannung angeschlossen ist^ und die Ladespannung dieses Kondensators (82) die Anlaßwiederholung steuert. (Fig. 5).
31. 31. Motor nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß an den Kondensator (82) ein spannungsabhängiger, vorzugsweise eine Strom-Mitkopplung aufweisender Entladekreis angeschlossen ist, welcher beim Leitendwerden einen kurzen, als Anlaufbefehl wirksamen Stromimpuls in einer zum Antrieb vorgesehenen Motorwicklung (12) bewirkt.
32. 32. Motor nach mindestens einem der Ansprüche 29 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß die bei nichtrotierendem Motor wirksame

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    Anlaßwiederholschaltung (80, 82, 83) für eine periodische Anlaßwiederholung mit niederer Wiederholfrequenz ausgebildet ist. (Fig. 5).
33. 33. Motor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine von der Drehzahl des Motors abhängige Sperrschaltung (192, 194) zum mindestens zeitweiligen Sperren des Stromes in den Motorwicklungen bei eingeschaltetem, nicht in Umdrehung befindlichem Motor vorgesehen ist, welche innerhalb eines vorbestimmten Zeitraums nach Einschalten des Motors wirksam wird. (Fig. 14).
34. 34. Motor nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrschaltung einen zwischen einen passiven Integrator (170 ) und den Eingang des zugeordneten Verstärkers (173) eingeschalteten Kondensatoc (192) aufweist, dem ein Ladekreis (194) zugeordnet ist, welcher an eine von der Motordrehzahl abhängige Spannung angeschlossen ist. (Fig. 14).

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